钢丝缠绕预应力嵌合结构基础性原理
第１０卷第２９期２０１０年１０月１６７ｌ—１８１５（２０１０）２９—７２７４．０５科学技术与工程
ｓｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ肌ｄＥｎ画ｎｅｅｒｉｎｇ
ｖｏＬ１０Ｎ０．２９０ｃＬ２０ｌＯ
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仪表技术
钢丝缠绕预应力嵌合结构基础性原理
刘海霞颜永年ｈ曾攀１林峰１张磊１张人佶１
（北京航空航天大学仪器科学与光电Ｔ程学院。北京１００１９ｌ；清华大学机械Ｔ程系１，北京１０００８４）
摘要钢丝缠绕预应力嵌合结构是指在预应力钢丝缠绕层的预紧下，嵌合子结构经界面嵌合作用而连接起来的结构。其应用解决了重型承载结构的设计、制造、运输、安装等诸多困难。近年来在我国自主建造的万吨级重型压机中已经得到广泛应用，但嵌合连接的基础性原理研究远滞后于工程应用。现重点从多蜂弹塑性接触理论、断裂力学和弱边界理论三个方面对嵌合原理进行分析和探讨，为嵌合结构的深入研究和工程应用提供了初步的基础性原理支持。
关键河预应力嵌合多峰弹塑性接触断裂弱边界
中嘲法分类号ＴＨｌｌ４；文献标志码Ａ
预应力技术可以改变承载结构在工作载荷后的受力状态，变拉为压，以保证结构的抗疲劳性能，提高可靠性。早在１７世纪就已产生（主要是大炮的预紧），１９世纪已有大量的工业应用，随着预应力技术的发展，逐渐被应用到重型承载结构上¨，２Ｊ。２０世纪７０年代中后期，瑞典、前苏联和我国相继开展了钢丝缠绕预应力结构的研究，并取得了第一批理论成果【３＇４Ｊ。随着承载能力的增加及技术的发展，钢丝缠绕预应力承载结构重量及结构形式也在不断的发展，其自身重量一般都达几百吨甚至几千吨。对于重量在３００ｔ以内的承载结构，尚可采用整体制造方法，随着重量的增加，其制造难度增高、风险加大。通常由于多个环节能力和规模不足，无法完成其整体制造，而成为工程的瓶颈，极大地影响重型装备的发展。为解决更大吨位承载结构的设计、制造等困难，提出了钢丝缠绕预应力剖分组合技术∞Ｊ。设计结构先剖分及进行子件加工后再组合成整体，零件的尺度和重量大大降低，解决了加
２０ｌＯ年７月２６日收到
第一作者简介：刘海霞（１９７７一），博士，研究方向：材料科学与＿Ｔ程。
’通信作者简介：颜永年（１９３８一），博士研究生导师，研究方向：锻压机械。工、运输等多个环节的困难；甚至可以有效地实现必要材料的梯度分布和合理选取，在很大程度上提高承载结构的可制造性和安全性。目前该技术的发展已达到一个新的里程碑，并在重型设备领域得到推广应用‘６，７‘。
１预应力嵌合连接结构
清华大学重型装备团队在近３５年预应力钢丝缠绕结构Ｔ程实践的基础上，于２１世纪初，提出了嵌合结构‘８１（图１）。
图ｌ嵌合结构模型图
嵌合结构是经界面嵌合作用而将子件连接起来的结构。嵌合结构摒弃键和键孔，采用摩擦系数大而硬度略低的金属嵌合层代之，子件Ａ。和Ａ：的
接触面经嵌合处理（多峰结构的处理），在预应力钢
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丝缠绕层的预紧下，多峰结构挤压人金属嵌合层，产生一种不可逆的塑性接触，形成巨大的足以抵抗ｐ的稳定摩擦力。嵌合结构首先考虑大幅度降低预紧件的刚度，用强度达到２００ＭＰａ的丝材（如弹簧钢６５Ｍｎ钢丝）代替细螺栓，相对刚度值进一步降
到Ｃ＝０．１珈．１５左右。
嵌合结构强调降低ｃ值的同时，还进一步提高
预紧程度，将机架的预紧级数叼提高到叩＝１．５ｑ，
则甜值大大下降。对一切重型预应力结构来说，这一点是非常重要。如，７＝２，Ｃ＝０．１２，则山＝２．６％。如此小的∞说明预紧件（钢丝层）承受的是一种准静载荷，其疲劳强度是键合结构无法相比的。以上分析说明，当预紧件刚度小到一定程度后，虽然外载荷的性质没有改变，但结构承载性质发生了质变，它从承受典型的交变载荷转变成“准静载荷”（近似静载荷）；而被预紧件始终处于交变的压应力作用下，强度与疲劳强度不会有问题。嵌合结构另一个显著的优点在于：多峰结构的尺度很小，峰值
一般为０．５ｑ．Ｏ
ｍｍ，不会引起裂纹和应力集中；嵌
合层的采用，大大简化了Ａ，与Ａ：间的配合关系，这在重型装备领域非常重要。
２嵌合结构的理论基础
嵌合的基础性原理研究十分滞后于工程应用，应该说尚处于发展中，初步将其原理性研究工作归结为三个方面：嵌合的多峰弹翅性接触理论、嵌合的断裂力学分析和嵌合弱边界理论，分述如下。
合板发生接触，产生接触效应（设峰体为刚性小球）。当预应力较小时，接触属于弹性接触范围。随着预应力的增大，接触也由初始的弹性接触变为弹塑性接触（图２）。因此，将嵌合现象视为一种多峰弹塑性接触【８Ｊ。
进入塑性变形阶段，接触区的金属开始流动。金属流动的结果将产生“双尺度阻滞”现象。多峰挤压形成的峰间隆起＾为大尺度阻滞结构，即产生大尺度的机械阻挡效应；由表面粗糙度产生的阻滞为小尺度阻滞结构，产生摩擦阻滞，即犁沟和粘着效应。因此可定义嵌合系数为
Ａ＝吾叱‰、。
其中：Ａ士为大尺度机械阻挡对嵌合系数的贡献。多峰间的距离６值越小，峰间隆起值＾将会减少，Ａ七降低；６值越大，峰．沟数量减少，同样会降低Ａ大；Ａ小为小尺度犁沟及粘着效应的贡献。文献［８］具体地推导了嵌合系数，并得出Ａ一０．６２，同时经大量的实验和Ｔ程实践形成了包括多峰结构尺寸、加工要求、和嵌合板材料及厚度与子件关系的丁程规范。
通过各种嵌合结构嵌合系数的实测并与摩擦现象相比较，得出如下结论。
２．１．１
嵌合具有方向性，摩擦各项同性
对多峰结构进行了平面内ｘ、＇，方向的嵌合系数测试。多峰的波长，峰高，峰一沟数量，嵌合板材料，嵌合板厚度，名义接触面积，预紧力等多种因素综合影响嵌合系数。分析可知，大尺度机械阻挡对嵌合系数有较大贡献，为整个嵌合系数的５０％左右。
图２多峰与嵌合板的塑性接触图‘８
Ｊ
２．１嵌合的多峰弹塑性接触理论
多峰结构在预应力的作用下与硬度较软的嵌
图３嵌合系数和摩擦系数对比‘８
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构的抗错移能力。ｔ值主要和嵌合界面性质有关。
将接触界面加工成多峰结构并优化，可有效提高
墨。。值。
图５嵌合结构断裂
模型图图６Ｉ、Ⅱ复合裂纹
模型图
２．３嵌合的弱边界理论
结合的弱边界理论认为在连续的弹性结构体上，选择一些剪力小的或结构对称的截面（沿对称面进行剖分），将其剖分为若干子件。子件问不进行冶金结合（如焊接），只需保持界面间持续的压力（允许在一定范围内波动），且允许１／１０００至ｌ／１００００的界面接触上压应力为零（界面局部张开）。界面上进行嵌合处理（子件表面切出多峰结构、子件间垫加嵌合板），以避免界面整体错移，可允许弹性局部错移，其面积同局部张开允许面积。由于局部张开和错移，弹性结构体不再是完全的结构连续体。但由于局部不连续的面积很小，从整体上来讲，仍是连续的，因而应力、应变、位移仍是连续的，数字模拟的结果云图可清楚看出（图７）。
图７数字模拟的结果云图‘８１
上述界面，从整体上认为是弹性连续的；从局部上看，又是弹性非连续的（卸载后恢复连续）这种界面称为弱边界界面。整体上的连续，正是可以承受外载（弯矩，轴力剪力）的表现，局部是弹性非连续的，即不完全等同于弹性力学意义上的整体弹性连续结构。弱边界具有如下优点。
（１）结构上的弱边界，降低了边界的一个领域内的应力，大大削减应力峰值；弱边界的存在，改变了结构的应力分布，减小了应力集中强度，从而保证了结构的强度和承载能力。金属构件，尤其是重型构件，不可避免会存在无法消除的内部缺陷，如微裂纹、非金属夹杂物、金属氧化物，因而在交变载荷下裂纹萌生、扩展以致穿透整个构件的工程随机现象是不可避免的。弱边界的存在，在一定程度上削弱了结构的局部刚性，从而改变其应力分布，创造了内部缺陷趋于稳定存在的力学条件，从而提高整体疲劳寿命。弱边界是子件的接触边界，是子件应用的直接结果。子件的尺度和重量大大小于整体结构，因而其热加工的质量大大提高；制造失败的概率大大减小。子件内部缺陷的尺度小于整体件和大型子件，其破坏概率下降；全体子件所有缺陷的总量也小于整体结构件，因而使破坏概率进一步下降。
（２）从仿生科学上可以找到弱边界理论的直接证据Ｈ１｜，人的颅腔由２６个独立的细胞发育源，生长出２６块颅骨骨片组成。骨片间为不规则的多峰结构经结缔组织形成弱边界，以此将它们连接在一起，形成完整的颅腔体。结缔组织的边界的强度远小于骨片，但韧性好于骨片。当颅腔受到冲击之后，结缔组织允许骨片间的不协调变形（非弹性连续体，变形不协调），正因为颅腔从整体上可吸收更多的能量，降低了在骨片上形成裂纹，引起骨片破裂的概率。可以将颅腔视为由骨片及结缔组织组成的生物界之嵌合体。考察所有哺乳动物的颅腔，都可以得出同样的结论，都是弱边界结构，这很可能是哺乳动物在长期进化过程中形成的基冈所致。
初步得出结论，嵌合结构正是弱边界理论在重
型工程领域的再现和重要应用。
预应力钢绞线拉伸试验方法的探讨
预应力钢绞线拉伸试验方法的探讨 发表时间：2018-05-25T13:20:36.753Z 来源：《基层建设》2018年第6期作者：吴锦智[导读] 摘要：为了满足结构安全要求，钢绞线的力学性能是一个重要的方面。 顺德建设工程质量监督检测中心 528300 摘要：为了满足结构安全要求，钢绞线的力学性能是一个重要的方面。本文将预应力混凝土钢丝力学性能试验方法作为试验设备的主要研究内容和关键，讨论了拉伸和屈服载荷、极限载荷等问题，为从事相关工作的工程人员提供了良好的参考价值。 关键词：预应力;钢链。试验方法预应力施工技术在我国铁路、公路桥梁和建筑施工中也有应用。为了保证预应力工程材料的质量，必须严格按照GB/ t5224-2003标准试验对预应力混凝土钢丝进行检验。预应力混凝土钢绞线抗拉强度试验结果的不确定度评价和分析，为提高检测水平提供了依据，也类似于测试结果的不确定性提供了参考依据。 1.v型夹的问题。 结果表明，钢绞线外钢丝的压痕是不连续的，压痕的总长度不相等，最大差为15%。压痕的起始点和停止点也不同步，最大差为25mm(夹紧范围为225mm)。钢绞线是由六股钢丝缠绕成螺旋状绕着导线形成的。为v型爪夹紧钢绞线，由v形下颌最大圆筒构成的等高线钢绞线由4个到达孔形成阶段的几何关系构成，假设为四边形质心与圆筒重合。当钢链的两个顶点与四边形的边缘相连时，其余四个顶点的最小距离为0.56mm。四个顶点和夹子之间的最小距离为0.21mm。实际上，v型夹与钢绞线之间的接触是塑性的，钢绞线上钳子的压痕深度约为0.3mm。在塑料接触的情况下，这四个顶点应该与下颚相连。以上两种情况，每一种可能出现10次，长度为225mm。在任何时候都不会有6个顶点，而双颚的横截面也会同时出现。因此，可以得出一个明确的结论:v型下颌不能在6股甚至是夹紧的外丝束上实现，这是由压痕不连续的范围，一般的，负载点不同步造成的。钢绞线的拉伸载荷是通过夹紧与钢丝外钢丝之间的摩擦力来传递的。然而，摩擦力和受力面积之间存在着越来越大的作用。压痕越深，接触面积的总和越大，拉伸载荷越大，也就越小。由于钢丝绳的摩擦力不同，相对于下颌产生了不同的滑移。和钢链理论伸长小,只相当于普通碳素结构钢的1/7,因此,滑脱效应的差异在实际伸长的外层钢丝更突出,自然的实际伸长线应该先于实际伸长小钢丝拉。可见，由于每个外钢丝绳和v形下颌界面与受拉荷载作用下的不同，达到极限载荷力矩是不同的，所以不同水平钢绞线的测量极限荷载比实际极限荷载要低。 2.预应力伸长量的计算 预应力施工分为两种,即前和后张法,这种方法是先执行后先张拉预应力钢筋混凝土施工,一般为直线,计算简单,可以用来作为后张法不管管摩擦计算,张拉过程有积分紧张和单一张两种。后一种方法施工后，应在浇注前浇筑构件。后张法预应力混凝土线性组合布局为直线,曲线,梁板,例如,在十字架上的主要抗弯曲性距离负载,当梁端负弯矩产生的电阻负载的距离,所以线性预应力钢筋是将系统由直线和曲线的结合。由于不同线性区间的平均应力是非常不同的，因此需要计算每个计算后的伸长值。 在张拉预应力混凝土施工,为了保证施工质量,规范要求除了使用压力控制,伸长,本文还需要实际伸长值之间的差异和理论伸长值控制在正负6%内,因此在预应力束张拉延伸量的计算是非常重要的。本文根据相关数据和自己的施工经验，对拉伸应力伸长的计算和测量提出了一些看法。 根据施工规范,△L=△L1+△L2+△L3……+△Li,△L为预应力筋工作长度的理论伸长值。对于个线形区间的计算伸长值△L,计算式为: 理论伸长量:△L=PP*X/(AP*EP) 式中,PP为第i段的平均张拉力.N,△Li为第i段的工作长.cm,AP为预应力筋截面面积.mm2,EP为预应力筋弹性模量。 锚下平均张拉力的计算公式为: PP=P×(1-e-(KX+μθ))/(KX+μθ) P型预应力张拉端张力钢。N, L从张紧端到计算隧道长度的横截面。米,θ是计算从张拉端截面曲线通道部分的总和的切角,圆曲线,圆心角,如果洞在垂直面和水平面弯曲同时,θ为双向弯曲角的矢量和。Rad, channel 1 m K，用于局部偏差对摩擦系数的影响;预应力筋和孔壁的摩擦因数。 间隔每一段的应力计算值计算过程中没有使用锚下平均拉应力,但用来克服张力调整结束后第一项——我的其余部分的摩擦阻力有效张力值,它随的增加部分。为了减少摩擦损失，在张拉过程中采用了以下措施:(1)将两端用于降低管道的值和长度;(2)采用超张法，张紧过程为。:0→初应力(一般为10%σk)→103%σk持荷5minσk。 4.解决方法 4.1使用圆型夹具 圆形夹具最大的特点是:下颚是圆形的，当它握住钢绞线后，在图形的任何横截面上的下颚都被一个圆所包围，如图3所示，这可以保证下颌6外钢丝和钢绞线同时被刻上。在拉伸试验试样后使用圆形夹具:在6条外钢绞线上的下颚基本上是连续的、均匀一致的长度、深度、负载点完全同步。 4.2在V型夹具上加金属片 天水红山试验机公司生产的waw1000型电液伺服万能试验机是解决这一问题的一个很好的解决方案。试验机钳子的长度是225mm。这段视频使用的是1.2 x 20 x 250mm的铝板，上面覆盖了一层30层的金刚砂，并弯曲成一个弧度。审判将裹着两块夹钢链一起将下巴之间的试验机,所需夹紧长度尽量完整,这样既可以防止滑动和避免夹具切口损伤钢链,仅仅因为摩擦,有些粗糙,最中间的样品坏了,所有七线断,呈现韧性断裂。重点关注碳化硅的粘合带，在20毫米左右的空白铝带磨料的末端，为了防止液压夹爪的跟踪，在末端产生应力集中，使钢绞线在牙根处断裂。 4.3引伸仪及其夹持方式 由于相关标准缺乏规定，测试机构使用的扩展范围从100mm到600mm不等。钢绞线长度约为170mm，所以只有延伸仪大于200mm，变形测量不受钢丝绳的结构特性影响。通常延伸刀口是平的工具,用橡皮筋固定夹紧钢链只有两个七丝绸丝绸,由于变形丝有一定程度的不均匀性,因此测试弹性模量有影响,建议使用线程固定环卡400毫米计画的乐器。由于钢绞线试件中原始微弯的普遍存在，在测量弹性模量时，应以双边方式测量伸长量。
预应力筋的种类、特性及施工工艺
预应力筋的种类、特性及施工工艺 预应力筋的种类：预应力筋通常由单根或成束的钢丝、钢绞线或钢筋组成。按性质划分，预应力筋包括金属预应力筋和非金属预应力筋两类。常用的金属预应力筋可分为钢丝、钢绞线和热处理钢筋。非金属预应力筋主要指纤维增强塑料预应力筋。 常用的预应力筋：钢丝冷拔低碳钢丝，直径：3～5ｍｍ；碳素钢丝，直径：3～8ｍｍ；钢绞线：由7根碳素钢丝缠绕而成；热处理钢筋：直径：6～10ｍｍ热轧螺纹钢筋，直径：25，32ｍｍ。 预应力筋的特性：应力－应变曲线和应力松弛。一、应力－应变曲线；二、应力松弛。1、概念：钢筋受到一定的张拉力后，在长度保持不变的条件下，钢筋的应力随着时间的增长而降低的现象，起压力激昂的值就是应力松弛损失。2、应力松弛的特点：初期发展快。钢丝和钢绞线的应力松弛率大于热处理钢筋和精轧螺纹钢筋。初应力大，松弛损失也大。松弛损失率随温度的升高急剧增加。预应力筋的检验：一、钢丝的检验：1、外观检查；2、力学性能试验。二、钢绞线的检验：1、成批验收；2、屈服强度和松弛试验；3、外观检查和力学性能检验。三、热处理钢筋的检验：1、外观检查；2、拉伸试验。 施工工艺 设计与制作：预应力混凝土结构的设计，除验算承载能力和使用阶段两个极限状态外，还要计算预应力筋的各项瞬时和长期预应力
损失值（见预应力损失），及验算施工阶段，如构件制作、运输、堆放和吊装等工序中构件的强度和抗裂度。 预应力混凝土构件的施工方法：1.先张法。在混凝土灌筑之前，先将由钢丝钢绞线或钢筋组成的预应力筋张拉到某一规定应力，并用锚具锚于台座两端支墩上,接着安装模板、构造钢筋和零件,然后灌筑混凝土并进行养护。当混凝土达到规定强度后，放松两端支墩的预应力筋，通过粘结力将预应力筋中的张拉力传给混凝土而产生预压应力。先张法以采用长的台座较为有利，最长有用到一百多米的，因此有时也称作长线法。2.后张法。先灌筑构件，然后在构件上直接施加预应力的方法。一般做法多是先安置后张预应力筋成孔的套管、构造钢筋和零件，然后安装模板和灌筑混凝土。预应力筋可先穿入套管也可以后穿。等混凝土达到强度后，用千斤顶将预应力筋张拉到要求的应力并锚于梁的两端，预压应力通过两端锚具传给构件混凝土。为了保护预应力筋不受腐蚀和恢复预应力筋与混凝土之间的粘结力，预应力筋与套管之间的空隙必须用水泥浆灌实。水泥浆除起防腐作用外，也有利于恢复预应力筋与混凝土之间的粘结力。为了方便施工，有时也可采用在预应力筋表面涂刷防锈蚀材料并用塑料套管或油纸包裹的无粘结后张预应力。 开封中桥专业生产预应力锚具、机具、连接器和金属波纹管，欢迎咨询，网址：https://www.wendangku.net/doc/a414062246.html,。
预应力钢丝缠绕的框架式技术在深海压力试验装置中的运用
第8卷 第6期 工程研究——跨学科视野中的工程 8 (6): 577-581 2016年12月 JOURNAL OF ENGINEERING STUDIES Dec , 2016 收稿日期: 2016-08-15; 修回日期: 2016-09-14 基金项目:国家重点研发计划重点专项（2016YFC0300900）；中国科学院战略性先导科技专项（B 类）资助（XDB06060200） 作者简介:蒋磊（1979-） ，男，博士，副研究员，研究方向为高压模拟技术装置及实验运用；E-mail: jl@https://www.wendangku.net/doc/a414062246.html, DOI: 10.3724/SP.J.1224.2016.00577 预应力钢丝缠绕的框架式技术在深海 压力试验装置中的运用 蒋 磊1，辛 洋1，2，杨 槐3，吴国庆4 (1. 中国科学院深海科学与工程研究所，海南三亚 572000； 2. 中国科学院大学，北京 100049； 3. 四川航空工业川西机器有限责任公司，四川雅安 625000； 4. 中国船舶科学研究中心，江苏无锡 214082) 摘 要: 本文介绍了预应力钢丝缠绕的框架式技术在我国深海压力试验装置中的首次运用。中科院深海科学与工程研究所与四川航空工业川西机器有限责任公司利用该技术成功研制了一套200MPa 中型超高压试验装置，该装置为国内相关科研机构研制的钛合金载人球舱缩比件、浮力材料及无人潜水器开展了相关的压力测试，取得了良好的运用效果，表明预应力钢丝缠绕的框架式技术相比传统的一体式压力筒在大容积、超高压装备研制方面具有明显的技术优势。 关键词: 预应力钢丝缠绕；深海；压力试验装置 中图分类号: TH137 文献标识码: A 文章编号: 1674-4969(2016)06-0577-05 引言 地球上的海洋有接近90%的面积是水深超过1000米的深海，深海中蕴藏着丰富的油气、矿产、生物等战略资源。随着科学技术水平的发展，人类已经越来越认识到海洋（特别是深海）是人类社会实现可持续发展的战略空间和资源宝库。我国也已充分意识到开展海洋科学研究、发展海洋技术的重要性，党的“十八大”已经把建设海洋强国上升为国家战略。 海洋环境的特殊性，使人类认识和开发利用海洋必须依赖探测技术和运载装备。深海环境最重要的特征之一就是存在高静水压力，水深每增加10米则压力增加1个大气压。这一特征决定了深海探测及运载仪器和装备与运用于陆地、太空的各类技术装备不同，其研制和运用过程必须考 虑到压力的影响，因此压力试验是深海仪器设备研发中至关重要的一环，深海压力试验装置作为专门的实验设备，是开展深海技术与装备研究中必不可少的支撑系统。以最具代表性的深海运载设备载人潜水器为例，其核心关键技术——载人球壳必须通过与设计工作深度相匹配的压力试验，才能符合运用要求。 1 深海压力试验装置的技术现状 国外在深海压力试验系统方面的研究起步比较早，检测技术水平相对较高，其中代表性的国家有美国、日本、俄罗斯、法国等，这些国家针对各类深水作业装备的压力测试需求开展了海洋压力模拟实验装备的研制。 美国于1951年研制了一套规格较大的压力装置，该装置长22.9m ，内径9.15m ，试验压力
预应力钢丝缠绕厚壁筒预紧过程数值模拟
Value Engineering 0引言 预应力钢丝缠绕厚壁筒（图1）是预应力高压超高压容器的核心部件和关键结构[1]，预应力钢丝缠绕技术是预应力压力容器最常用的技术之一。早在20世纪40年代Newite 和Comslock [2]分就分别给出了筒体的等、变张力缠绕的理论分析。从目前已发表的文章看，国内外一些学者对预应力高压容器的强度、疲劳寿命等问题越来越重视，进行了很多理论研究，而影响容器这些方面的主要因素之一就是预应力钢丝缠绕应力和应变的控制程度，但报道该方面的文献不多。由于缠绕钢丝层的结构和受力状态相当复杂，公式繁琐且误差较大，有限元模拟在该方面变现出 它的优越性。 因此，本文应用叠加原理通过ANSYS 工况组合给出了预应力钢丝缠绕厚壁筒等剪缠绕过程仿真计算模型，对钢丝层随缠绕过程其应力和应变的变化规律进行了分析，为预应力缠绕厚壁筒在理论分析和工程应用提供依据和模拟手段。 1预应力钢丝缠绕厚壁筒计算模型的建立 1.1简化的有限元计算模型的建立及材料模型的选取在绕丝容器的设计理论中，一共有等张力、等剪力和等切力[5]三种设计原则，其中采用等张力缠绕设计的钢丝层与层之间初张力相同，而采用等剪力和等切力缠绕设计的则各不相同，本文所分析的容器按照等剪力原则设计， 钢丝层结构为截面积为1mm ×6mm 的扁钢丝110层。 为了便于建模分析，本文将整个钢丝层分为11个钢丝台阶。 由于钢丝台阶的厚度只有10mm ，划分实体模型只能分得较小，而其高压容器中径2310mm ，故产生数量巨大的单元，使计算非常的繁复，难以实现，或者计算结果同真实结果存在很大的差异。故在建模时将钢丝层简化为薄壳形式。 预应力绕丝厚壁圆筒是轴对称模型，采用1/8模型进 行简化，不影响分析结果，可以大大减少计算量。 芯筒采用实体单元划分，建立实体单元（solid95）和板壳单元 （shell63 ）组合的预应力钢丝缠绕厚壁筒组合模型。最终建立的有限元模型如图2所示。材料参数的定义：缸体的弹性模量取为205Gpa,Poisson 比为0.3；钢丝层的弹性模量为210Gpa ，Poisson 比为0.3。单元总数35835个，节点数40477个，其中壳单元数为29549个，其余为实体单元。 1.2接触摩擦界面的处理钢丝层间及体壳接触界面采用面—面接触分析，外圈内表面（目标面用Target170来模拟）和内模外表面（接触面用Contact174来模拟）构成接触对，摩擦系数为0.3在缠绕过程中，为了缓解收敛性困难，在第一个载荷步中设置KEYOTI （9）=2来使过度渗透渐进0。 1.3加载求解及后处理加载求解分为三部分，即施加约束条件、施加载荷以及求解计算。分析高压容器厚壁 预应力钢丝缠绕厚壁筒预紧过程数值模拟 Simulation Procedure of a Wire Winding Thick Wall Container Main Cylinder 戴剑DAI Jian ；李棠LI Tang ；陶俊林TAO Jun-lin （西南科技大学土木工程与建筑学院，绵阳621010） （The Department of Civil Engineering and Arhitecture ， Southwest University of Science and Technology ，Mianyang 621010，China ）摘要：预应力钢丝缠绕厚壁筒是化工航空航天等领域重要的加工设备。文章利用ANSYS 载荷步建立了预应力钢丝缠绕厚壁筒 缠绕过程的仿真计算模型，考虑钢丝层间及钢丝间摩擦对缠绕过程的不利作用。利用该方法对一尺寸为2310mm*3000mm 的缠绕厚 壁筒进行仿真分析，结果表明：筒体受到端部法兰的影响，其应力和位移是轴向位置的函数，筒体预紧状态最大的Mises 应力为316.914MPa,Tresca 应力约为329.98MPa 。轴向应力在离端口595.29mm 处达到最大值，约为121.53MPa;计算模型较好模拟缠绕过程，有限元计算结果和理论计算比较吻合。 Abstract:Prestressed steel wire winding thick wall cylinder is chemical aerospace etc important processing equipment.This paper,by using ANSYS load step combined with load condition (load case)establish a prestressed steel wire winding thick wall cylinder and shear winding process simulation model,considering wire layer and steel wire friction winding process to the adverse effect,a diameter of 2310mm*3000mm thick wall cylinder was analyzed by the method.The results show that:the cylinder flange influencer the radial displacement and stresses,so they are functions of the axial position.The maximum axial stress,which is 121.53MPa,is located about 595.29mm from the cylinder flange end.the maximum mises and Tresca stresses are about 316.914MPa and 329.98MPa.The FEA results agree well with the theoretical results. 关键词：工程模拟；钢丝缠绕；预紧；有限元Key words:engineering simulation ；steel sire-wound ；prestress ；finite element analysis(FEA)中图分类号：TU3文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）01-0083-03 —————————————————————— —作者简介：戴剑（1987-），男，浙江建德人，西南科技大学土木工 程与建筑学院， 硕士研究生，研究方向为结构工程力 学分析。 ·83·
谈预应力钢丝和钢绞线的防腐镀(涂)层
谈预应力钢丝和钢绞线的防腐镀（涂）层 谈预应力钢丝和钢绞线的防腐镀（涂）层作者：佚名 时间：2008-7-30 浏览量： 摘要:预应力钢绞线在高压力状态下服役,应力腐蚀将直接影响其使用寿命从而影响建筑工程的寿命。叙述了预应力钢绞线及其防腐种类,通过各种防腐镀层的概要分析认为:从建筑工程的安全角度出发,目前国内应用光面钢绞线,无粘结钢绞线,镀锌钢绞线必须由制造厂、设计、施工等多方面严加控制。才能确保工程质量万无一失。 关键词:预应力钢绞线防腐 金属腐蚀给国民经济带来的损失是相当惊人的,据统计,每年世界上由于腐蚀而报废的金属材料相当于年产量的1/3.更重要的是金属腐蚀而造成构件破坏的价值和影响,远比金属本身价值大得多。预应力钢材是在应力和腐蚀复合作用下的应力腐蚀,其特点是在金属内部先形成裂纹,内裂纹发生后便形
成应力集中,加速裂纹的发展。因此预应力钢丝和钢绞线用钢的防腐是至关工程质量寿命的重大问题,影响应力腐蚀的因素主要由内外两种组成,诸如金属的成分和状态,载荷的性质和大小,金属应力的周围条件和介质的物化特性等。从钢材的内部条件上,要求该类钢材必须经过炉外精炼,已纳入yB/T146-1998的标准条款,并在疏、磷、铜杂质含量上加以严格控制,在盘条的表面缺陷上也加以严格控制。仅从金属伪外界防腐条件加以分析,并要求确实可行的防腐措施,以减少预应力钢材因腐蚀造成先期失效而带来的巨大损失。 一、预应力钢材的防腐镀层钢材总是在腐蚀介质的条件下服役,因此隔离钢基的介质腐蚀是钢材生产厂的义不容辞的职责。按保护层的种类,可分为非金属保护层,化学保护层和金属保护层三类。 .非金属保护涂层预应力钢材的非金属涂层主要有塑料,环氧树脂和防腐油脂三种,由于其工艺装备比较简单,投资低,易于上马。但非金属涂层的抗老化问题尚未解决,且其力学性能较金属镀层低得多。因此,应用范围受到限制。
预应力钢丝缠绕机架坎合梁的整体性分析
预应力钢丝缠绕机架坎合梁的整体性分析 彭俊斌1, 2颜永年1, 2张人佶1, 2林峰1, 2 (1. 清华大学机械工程系北京 100084； 2. 清华大学先进成形教育部重点实验室北京 100084) 摘要：分析了预应力钢丝缠绕机架坎合梁的承载原理和影响其承载能力的因素。采用Patran/Marc有限元软件，分析了加载载荷和剖分界面抗剪系数对钢丝缠绕预应力机架中的坎合梁整体性的影响。进行350 MN涡轮盘模锻液压机模型对比试验。数值模拟和模型试验结果一致，表明当梁的剖分界面不采取坎合处理，完全靠自然摩擦保持其完整性时，机架在预紧状态能保持很好的完整性，但在合成状态，会产生错移；当剖分面经过坎合处理后，界面抗错移能力大大提高，机架在最大工作载荷下依然能够保持很好的完整性。 关键词：预应力坎合梁坎合系数 中文分类号：TU378 0 前言 在20世纪70年代中后期，瑞典ASEA公司、前苏联和我国相继开展了钢丝或钢带缠绕预应力结构的研究。钢丝缠绕预应力结构就是用高强度钢丝将上下梁和立柱缠绕、预紧，构成液压机的承载框架。上世纪90年代利用钢丝缠绕预应力技术我国还自行设计制造了50 MN至400 MN板式换热器液压机130余台。至今全国各种钢丝缠绕材料成形压机投放市场共达1 000台套左右。 在重型模锻液压机上，上下梁重量大、体积大，整体制造需要很强的铸锻能力，且质量风险大，成本高，在运输、吊装方面的难度也不可忽视。为此清华大学机械系在设计350 MN航空涡轮盘模锻液压机和360 MN钢管垂直挤压机时，都对上下梁进行了剖分，采用预应力坎合梁的形式。 图1 钢丝预应力坎合机架 钢丝缠绕预应力坎合梁机架是在原有缠绕结构的基础上演变出来的一种新式结构。它是运用预应力坎合连接的新技术，将超大、超重且难于制造加工的上下梁分为4块，以降低其加工、制造、运输等难度。例如：350 MN压机1：10模型结构如图1所示，将半圆梁分成1、2、3、4四块，1、2、3组成拱形梁，4则为小半圆梁。 1 坎合梁承载原理分析 坎合梁是基于预应力坎合连接的原理的一种新型结构梁。预应力坎合连接就是用预应力场将经过坎合处理后的剖分间组合成具有承载能力的整体件。 预应力坎合连接具有较强的抗错移能力，其本质上是通过多峰结构的互相嵌入来实现的。小尺度之多峰结构的嵌入抗错移能力很有限，在机械设计中运用较少，这种情况即普通机加工表面的自然摩擦(简称自然摩擦)。大尺度多峰的嵌入，即机械抗剪结构能够产生较大的抗错移抗剪能力，但容易产生应力集中，在疲劳载荷下容易形成裂纹，造成破坏[1]。 坎合梁机架和普通的预紧机架一样需要承受两种力学状态：预紧状态、合成状态。在预紧状态下，坎合面沿切线方向的压力F很大(图2)，坎合面不会产生错动；在合成状态下，随着工作载荷的不断加大，坎合面沿切线方向的压应力F逐渐变小，坎合面较容易发生错动。要使梁在承载时保持其完整性就需要有在界面有足够的抗错移能力。 提高抗错移能力可通过增大界面间正压力或提高界面抗剪系数(即界面最大抗错移力和界面正压力的比值)达到。正压力随着钢丝预紧力的增大而增大，但过大的预紧力，会造成机架在预紧状态下产生破坏和制造成本的提高，在工程实际中预紧系数一般选取在1～2范围内。靠正压力的增大来提高抗