石俏 楊鑫 胡聰 蔡豪

摘? 要：由于在輸電線路的巡檢中人員易發(fā)生滑動(dòng)引發(fā)高空墜落，導(dǎo)致繩索受力而局部變形，甚至斷裂，嚴(yán)重威脅作業(yè)人員的人身安全。為了分析不同因素下繩索的動(dòng)力響應(yīng)特性，本文采用有限元分析軟件ANSYS Workbench建立了聚丙烯加捻繩仿真模型，模擬并分析了不同工況下繩索的動(dòng)力響應(yīng)特性。仿真結(jié)果表明：繩索所受應(yīng)力與繩索的直徑、長(zhǎng)度和所受沖擊力密切相關(guān)，在繩索直徑、長(zhǎng)度不變，沖擊力為二倍關(guān)系時(shí)，最大形變與應(yīng)力一致，時(shí)間減半;當(dāng)繩索直徑增大，最大應(yīng)力與形變先降低后增大在下降;繩索最大應(yīng)力出現(xiàn)在繩股與繩股接觸處。

關(guān)鍵詞：繩索;沖擊力;高空墜落

中圖分類號(hào)：TU731.6???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?????? 文章編號(hào)：2096-6903（2021）04-0000-00

0引言

在電力系統(tǒng)人員傷亡事故中，高空墜落事故一直居高不下[1]。而繩索擁有重量輕、抗拉強(qiáng)度高、絕緣性能好等優(yōu)點(diǎn)，作為防墜設(shè)備在輸電線路的巡檢中廣泛的應(yīng)用[2-5];當(dāng)檢修過程中人員因各種原因發(fā)生墜落，此時(shí)繩索的動(dòng)力性能尤為重要;目前國內(nèi)外對(duì)繩索的研究主要分為微觀與宏觀，現(xiàn)有文章大多集中在微觀方面，宏觀上只是在恒定力下測(cè)量繩索的變形或建立繩索模型仿真;張磊，曹宇光等人對(duì)聚丙烯加捻繩與編織繩進(jìn)行模型仿真與實(shí)驗(yàn)分析繩索力學(xué)性能[6];昝修平，楊彩云通過實(shí)驗(yàn)分析芳綸編織繩與加捻繩拉伸曲線，得出兩者斷裂前后區(qū)別[7]。

綜上所述，目前國內(nèi)外對(duì)繩索沖擊有一定的研究，但高空墜落具有突然性、不確定性，現(xiàn)有對(duì)繩索研究無法保證高空作業(yè)人員的安全;為了進(jìn)一步研究繩索在墜落過程中的拉伸力學(xué)行為，了解其變形規(guī)律、繩索受力分布及破壞行為造成的影響。本文通過SolidWorks建立聚丙烯加捻繩幾何模型[8-11]，使用ANSYS Workbench在不同因素下進(jìn)行有限元模擬[12]，得到不同情況下繩索各處的形變、沖擊力分布規(guī)律等，為高空作業(yè)人員安全、為高空作業(yè)選擇合適的繩索提供依據(jù)。

1繩索的數(shù)值仿真

1.1材料模型與參數(shù)確定

本次主要原料為揚(yáng)州力達(dá)繩纜科技有限公司的直徑28mm 3股聚丙烯加捻繩，繩索參數(shù)：8捻/220mm，樣品如圖1（a）所示。由于加捻繩的受力分析問題屬于非線性接觸問題，繩股之間、單絲之間都存在接觸，因此在進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)的計(jì)算量較大。受計(jì)算資源的限制，將繩索幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。根據(jù)繩索的幾何特征，對(duì)繩模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，將繩索一股簡(jiǎn)化成由7單絲組成，通過SolidWorks確定繩索的單絲直徑;繩索單絲直徑確定圖如圖1（b）所示。

由繩索單絲與繩股之間的幾何關(guān)系，最終確定其直徑為4.45mm;進(jìn)一步在SolidWorks中通過建立單絲模型，通過陣列建立繩股模型，再通過彎曲、陣列建立3×7加捻繩的幾何模型。直徑28mm的3股聚丙烯加捻繩實(shí)體模型如圖1（c）所示。

建立繩索的模型后采用ANSYS Workbench平臺(tái)進(jìn)行仿真，繩索為聚丙烯加捻繩，其力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。根據(jù)繩索的力學(xué)性質(zhì)選取單元類型，繩索單元采用SOLID186;其彈性模量為3.720585MPa，由于Workbench采用5位有效數(shù)字，所以彈性模量為3.7206MPa，繩索線密度為1325 kg﹒m-3，泊松比為0.38。

1.2仿真設(shè)置

在Mesh Control中使用Method選擇Sweep的方式進(jìn)行劃分網(wǎng)格，模型網(wǎng)格劃分后，網(wǎng)格類型為六面體單元，單元尺寸大小為13.971mm，模型劃分后的單元數(shù)為35772，節(jié)點(diǎn)數(shù)為189498。劃分好的網(wǎng)格如圖2所示。

因?yàn)槔K股與每絲之間的摩擦力對(duì)于繩索墜落過程影響不大，在這里忽略了繩股與每絲之間的摩擦力，所以將繩索之間的摩擦力設(shè)置成為無摩擦力，在Connections->Definition->Type中設(shè)置成Frictionless。但由于繩股、單絲之間未施加摩擦力，若在下端面施加較大的力時(shí)，會(huì)導(dǎo)致繩索在有限元模擬中造成計(jì)算不收斂，不能完整地模擬繩索墜落全過程，故將其設(shè)置成Bond。

結(jié)合繩索受拉伸載荷作用時(shí)的實(shí)際工況，在數(shù)值模擬過程中對(duì)于繩索模型所施加載荷和約束如下：在加捻繩有限元模型的上端面約束x、y、z三個(gè)方向的自由度，下端面約束y、z兩個(gè)方向的自由度，只允許繩索在x方向移動(dòng)。假設(shè)繩索在墜落過程中，各繩股所承受的載荷相同，在繩索的21根繩股下端面均施加軸向拉伸載荷，在上端面施加支持力[13]。聚丙烯加捻繩載荷與約束施加圖如圖2所示?？傮w上仿真時(shí)間步長(zhǎng)為0.02s，總時(shí)間為1s。

2繩索動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

利用控制變量法對(duì)不同長(zhǎng)度、不同直徑、不同載荷的繩索進(jìn)行仿真模擬，分析不同因素下繩索在墜落情況下的動(dòng)力響應(yīng)，不同直徑繩索載荷、長(zhǎng)度設(shè)置為800N、220mm，工況分布如表2;不同載荷繩索長(zhǎng)度、直徑設(shè)置為220mm、28mm，工況分布如表3。

2.1不同直徑繩索的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程分析

隨著繩索直徑的增加，繩索應(yīng)力曲線與形變曲線呈現(xiàn)先下降后上升在下降的趨勢(shì);當(dāng)直徑為22mm時(shí)，繩索出現(xiàn)最大形變?yōu)?47.65mm，對(duì)應(yīng)最大應(yīng)力為69.41MPa，當(dāng)直徑為26mm時(shí)，繩索出現(xiàn)最小形變?yōu)?05.66mm，對(duì)應(yīng)最大應(yīng)力為14.13MPa;而當(dāng)直徑為18mm時(shí)，繩索出現(xiàn)最小應(yīng)力為12.865MPa，對(duì)應(yīng)最大形變?yōu)?30.92mm;其中I3的形變?cè)茍D如圖3（a）所示，應(yīng)力云圖如圖3（b）所示。

由于在墜落過程中主要關(guān)心作業(yè)人員在墜落最低點(diǎn)所受沖擊力，故只考慮繩索在最低點(diǎn)時(shí)的受力情況;由仿真結(jié)果可以得出：

（1）繩索形變最大點(diǎn)出現(xiàn)在繩索下端面，最小點(diǎn)出現(xiàn)在繩索上端面;

（2）最大應(yīng)力出現(xiàn)在繩股與繩股接觸處;

（3）隨著繩索直徑增加，繩索最大應(yīng)力存在最大值，為69.41MPa。

2.2不同載荷繩索的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程分析

隨著施加載荷的增加，繩索應(yīng)力曲線與形變曲線與不同直徑繩索響應(yīng)大同小異，呈現(xiàn)三角波規(guī)律;而最小應(yīng)力點(diǎn)在繩索上端面，最大應(yīng)力點(diǎn)在繩索靠近下端面處;最大、小形變點(diǎn)與不同直徑繩索響應(yīng)一致;其中I4的形變?cè)茍D如圖4（a）所示，應(yīng)力云圖如圖4（b）所示。

由仿真結(jié)果可以得出：

（1）載荷為400N、800N時(shí)，最大形變?yōu)?96.46mm，最大應(yīng)力為14.476MPa;載荷為600N、1200N時(shí)，最大形變?yōu)?58.52mm，最大應(yīng)力為16.286MPa;當(dāng)載荷為2倍關(guān)系時(shí)，繩索最大形變與應(yīng)力大小一致;

（2）載荷為400N、800N時(shí)，出現(xiàn)最大應(yīng)力時(shí)t=0.16s、t=0.08s;載荷為600N、1200N時(shí)，發(fā)生最大應(yīng)力時(shí)t=0.12s、t=0.06s;當(dāng)載荷為2倍關(guān)系時(shí)，出現(xiàn)最大應(yīng)力時(shí)間為二分之一;

（3）繩索最大應(yīng)力出現(xiàn)于繩股與繩股接觸點(diǎn)。

3結(jié)論

本文開展了墜落繩索的數(shù)值模擬研究，分析了不同直徑繩索和不同載荷繩索對(duì)于繩索最大形變值、最大應(yīng)力值，峰值出現(xiàn)位置，并總結(jié)了繩索最大形變、應(yīng)力變化規(guī)律，得出以下主要結(jié)論：

（1）隨著載荷、直徑增加，最大應(yīng)力出現(xiàn)在繩股與繩股間的接觸處。

（2）繩索形變與應(yīng)力呈現(xiàn)三角波變化規(guī)律，繩索直徑的影響大于載荷的影響。

（3）當(dāng)載荷為2倍關(guān)系時(shí)，繩索最大形變與應(yīng)力大小一致，出現(xiàn)最大應(yīng)力時(shí)間為二分之一。

（4）當(dāng)繩索施加載荷一定時(shí)，直徑18mm的繩索應(yīng)力值最小，選擇此直徑進(jìn)行高空作業(yè)最為合適。

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收稿日期：2021-02-02

基金項(xiàng)目：廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目資助（GDKJXM20184783）。

作者簡(jiǎn)介：石俏（1992—），女，湖北黃岡人，碩士，工程師，研究方向：高壓智能設(shè)備。

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，F(xiàn)oshan 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