基于有限元的绳索冲击力下的响应特性研究

石俏 杨鑫 胡聪 蔡豪

摘  要：由于在输电线路的巡检中人员易发生滑动引发高空坠落，导致绳索受力而局部变形，甚至断裂，严重威胁作业人员的人身安全。为了分析不同因素下绳索的动力响应特性，本文采用有限元分析软件ANSYS Workbench建立了聚丙烯加捻绳仿真模型，模拟并分析了不同工况下绳索的动力响应特性。仿真结果表明：绳索所受应力与绳索的直径、长度和所受冲击力密切相关，在绳索直径、长度不变，冲击力为二倍关系时，最大形变与应力一致，时间减半;当绳索直径增大，最大应力与形变先降低后增大在下降;绳索最大应力出现在绳股与绳股接触处。

关键词：绳索;冲击力;高空坠落

中图分类号：TU731.6     文献标识码：A       文章编号：2096-6903（2021）04-0000-00

0引言

在电力系统人员伤亡事故中，高空坠落事故一直居高不下[1]。而绳索拥有重量轻、抗拉强度高、绝缘性能好等优点，作为防坠设备在输电线路的巡检中广泛的应用[2-5];当检修过程中人员因各种原因发生坠落，此时绳索的动力性能尤为重要;目前国内外对绳索的研究主要分为微观与宏观，现有文章大多集中在微观方面，宏观上只是在恒定力下测量绳索的变形或建立绳索模型仿真;张磊，曹宇光等人对聚丙烯加捻绳与编织绳进行模型仿真与实验分析绳索力学性能[6];昝修平，杨彩云通过实验分析芳纶编织绳与加捻绳拉伸曲线，得出两者断裂前后区别[7]。

综上所述，目前国内外对绳索冲击有一定的研究，但高空坠落具有突然性、不确定性，现有对绳索研究无法保证高空作业人员的安全;为了进一步研究绳索在坠落过程中的拉伸力学行为，了解其变形规律、绳索受力分布及破坏行为造成的影响。本文通过SolidWorks建立聚丙烯加捻绳几何模型[8-11]，使用ANSYS Workbench在不同因素下进行有限元模拟[12]，得到不同情况下绳索各处的形变、冲击力分布规律等，为高空作业人员安全、为高空作业选择合适的绳索提供依据。

1绳索的数值仿真

1.1材料模型与参数确定

本次主要原料为扬州力达绳缆科技有限公司的直径28mm 3股聚丙烯加捻绳，绳索参数：8捻/220mm，样品如图1（a）所示。由于加捻绳的受力分析问题属于非线性接触问题，绳股之间、单丝之间都存在接触，因此在进行数值模拟计算时的计算量较大。受计算资源的限制，将绳索几何模型进行简化。根据绳索的几何特征，对绳模型进行合理的简化，将绳索一股简化成由7单丝组成，通过SolidWorks确定绳索的单丝直径;绳索单丝直径确定图如图1（b）所示。

由绳索单丝与绳股之间的几何关系，最终确定其直径为4.45mm;进一步在SolidWorks中通过建立单丝模型，通过阵列建立绳股模型，再通过弯曲、阵列建立3×7加捻绳的几何模型。直径28mm的3股聚丙烯加捻绳实体模型如图1（c）所示。

建立绳索的模型后采用ANSYS Workbench平台进行仿真，绳索为聚丙烯加捻绳，其力学性能参数如表1所示。根据绳索的力学性质选取单元类型，绳索单元采用SOLID186;其弹性模量为3.720585MPa，由于Workbench采用5位有效数字，所以弹性模量为3.7206MPa，绳索线密度为1325 kg﹒m-3，泊松比为0.38。

1.2仿真设置

在Mesh Control中使用Method选择Sweep的方式进行划分网格，模型网格划分后，网格类型为六面体单元，单元尺寸大小为13.971mm，模型划分后的单元数为35772，节点数为189498。划分好的网格如图2所示。

因為绳股与每丝之间的摩擦力对于绳索坠落过程影响不大，在这里忽略了绳股与每丝之间的摩擦力，所以将绳索之间的摩擦力设置成为无摩擦力，在Connections->Definition->Type中设置成Frictionless。但由于绳股、单丝之间未施加摩擦力，若在下端面施加较大的力时，会导致绳索在有限元模拟中造成计算不收敛，不能完整地模拟绳索坠落全过程，故将其设置成Bond。

结合绳索受拉伸载荷作用时的实际工况，在数值模拟过程中对于绳索模型所施加载荷和约束如下：在加捻绳有限元模型的上端面约束x、y、z三个方向的自由度，下端面约束y、z两个方向的自由度，只允许绳索在x方向移动。假设绳索在坠落过程中，各绳股所承受的载荷相同，在绳索的21根绳股下端面均施加轴向拉伸载荷，在上端面施加支持力[13]。聚丙烯加捻绳载荷与约束施加图如图2所示。总体上仿真时间步长为0.02s，总时间为1s。

2绳索动态响应分析

利用控制变量法对不同长度、不同直径、不同载荷的绳索进行仿真模拟，分析不同因素下绳索在坠落情况下的动力响应，不同直径绳索载荷、长度设置为800N、220mm，工况分布如表2;不同载荷绳索长度、直径设置为220mm、28mm，工况分布如表3。

2.1不同直径绳索的动态响应过程分析

随着绳索直径的增加，绳索应力曲线与形变曲线呈现先下降后上升在下降的趋势;当直径为22mm时，绳索出现最大形变为647.65mm，对应最大应力为69.41MPa，当直径为26mm时，绳索出现最小形变为405.66mm，对应最大应力为14.13MPa;而当直径为18mm时，绳索出现最小应力为12.865MPa，对应最大形变为430.92mm;其中I3的形变云图如图3（a）所示，应力云图如图3（b）所示。

由于在坠落过程中主要关心作业人员在坠落最低点所受冲击力，故只考虑绳索在最低点时的受力情况;由仿真结果可以得出：

（1）绳索形变最大点出现在绳索下端面，最小点出现在绳索上端面;

（2）最大应力出现在绳股与绳股接触处;

（3）随着绳索直径增加，绳索最大应力存在最大值，为69.41MPa。

2.2不同载荷绳索的动态响应过程分析

随着施加载荷的增加，绳索应力曲线与形变曲线与不同直径绳索响应大同小异，呈现三角波规律;而最小应力点在绳索上端面，最大应力点在绳索靠近下端面处;最大、小形变点与不同直径绳索响应一致;其中I4的形变云图如图4（a）所示，应力云图如图4（b）所示。

由仿真结果可以得出：

（1）载荷为400N、800N时，最大形变为496.46mm，最大应力为14.476MPa;载荷为600N、1200N时，最大形变为558.52mm，最大应力为16.286MPa;当载荷为2倍关系时，绳索最大形变与应力大小一致;

（2）载荷为400N、800N时，出现最大应力时t=0.16s、t=0.08s;载荷为600N、1200N时，发生最大应力时t=0.12s、t=0.06s;当载荷为2倍关系时，出现最大应力时间为二分之一;

（3）绳索最大应力出现于绳股与绳股接触点。

3结论

本文开展了坠落绳索的数值模拟研究，分析了不同直径绳索和不同载荷绳索对于绳索最大形变值、最大应力值，峰值出现位置，并总结了绳索最大形变、应力变化规律，得出以下主要结论：

（1）随着载荷、直径增加，最大应力出现在绳股与绳股间的接触处。

（2）绳索形变与应力呈现三角波变化规律，绳索直径的影响大于载荷的影响。

（3）当载荷为2倍关系时，绳索最大形变与应力大小一致，出现最大应力时间为二分之一。

（4）当绳索施加载荷一定时，直径18mm的绳索应力值最小，选择此直径进行高空作业最为合适。

参考文献

[1]唐诗洋，门永生，于振.高空作业防坠装置安装辅助机器人研究[J].供用电，2019，36（2）：73-77+83.

[2]朱彦.对高空作业坠落防护装备及其技术措施的研究[J].中国个体防护装备，2015（6）：44-48.

[3]周魯豫.UHMWPE纤维绳索的编织工艺和力学性能研究[D].青岛：青岛大学，2013.

[4]蔡小川，张海涛，韩建国，等.超高性能PBO纤维的发展及性能应用[J].辽宁化工，2016，45（11）：1435-1438.

[5]张莹，马新安，蔡普宁.PBO纤维性能的试验研究及其产品开发[J].产业用纺织品，2014，32（2）：20-25.

[6]张磊，曹宇光，宋明，等.聚丙烯加捻绳与编织绳拉伸力学性能对比研究[J].中国塑料，2019，33（10）：59-65.

[7]昝修平，杨彩云.芳纶编织绳与加捻绳的拉伸曲线比较分析[J].玻璃钢/复合材料，2011（4）：17-19.

[8]马辉，朱锦波，李学军，等.利用ANSYS有限元模型进行钢丝绳结构分析的可行性研究[J].科技通报，2020，36（2）：50-54.

[9]杜文正，马保珠，曹大志，等.摩擦因数对钢丝绳有限元分析结果的影响[J].机械设计，2018，35（4）：92-96.

[10]屈文涛，李宁，于渊博，等.6×19S-IWRC钢丝绳应力应变数值模拟[J].石油矿场机械，2016，45（3）：38-41.

[11]孙土贵，史天录.钢丝绳数学模型及有限元分析[J].五邑大学学报（自然科学版），2016，30（1）：64-68.

[12]江民圣.ANSYS Workbench 19.0基础入门与工程实践[M].人民邮电出版社，2019.

[13]付超.编织型钢丝绳拉伸载荷作用下的力学特性研究[D].济南：济南大学，2016.

收稿日期：2021-02-02

基金项目：广东电网有限责任公司科技项目资助（GDKJXM20184783）。

作者简介：石俏（1992—），女，湖北黄冈人，硕士，工程师，研究方向：高压智能设备。

Study on Response Characteristics of Rope under Impact Force based on Finite Element Method

SHI Qiao1， YANG Xin1，HU Cong1，CAI Hao2

（1.Foshan Power Supply Bureau Guangdong Power Grid Corporation Limited，Foshan Guangdong  528000;2.China Three Gorges University College of Electricity and New Energy，Yichang Hubei  443002）

Abstract： During the inspection of transmission lines，personnel are prone to slide and fall from high altitude，leading to local deformation or even fracture of the rope，which seriously threatens the personal safety of operators. In order to analyze the dynamic response characteristics of the rope under different factors，the finite element analysis software Workbench was used in this paper to establish a simulation model of the polypropylene twisted rope， and to simulate and analyze the dynamic response characteristics of the rope under different working conditions. The simulation results show that the stress on the rope is closely related to the diameter， length and impact force of the rope. When the diameter and length of the rope are unchanged and the impact force is twice the relationship， the maximum deformation is consistent with the stress， and the occurrence time is half. When the diameter of the rope increases， the maximum stress and deformation decrease first and then increase and then decrease. The maximum stress of the rope appears at the contact point between the rope strand and rope strand.

Key words：rope;impact force;high fall