發(fā)布時(shí)間：2020-11-15 04:38

　　 多級螺旋結(jié)構(gòu)在自然和人工材料中無處不在,并被廣泛地應(yīng)用于纖維繩中。在工程應(yīng)用中,多級螺旋結(jié)構(gòu)纖維繩一般處于復(fù)雜的受力狀態(tài)。因此,為了保證纖維繩安全、高效的工作,對其力學(xué)行為進(jìn)行深入的理論研究具有重要意義。本文以多級螺旋結(jié)構(gòu)繩為研究對象,考慮不同的影響因素(如接觸摩擦、纖維遷移),基于彈性曲桿理論,分析其在承受拉伸、扭轉(zhuǎn)和彎曲等靜荷載作用下的力學(xué)行為。主要研究內(nèi)容包括以下三部分:第一部分研究了理想多級螺旋結(jié)構(gòu)纖維繩的力學(xué)響應(yīng)。基于曲桿理論,考慮了泊松效應(yīng),用自下而上的分層計(jì)算方法與直接計(jì)算方法對纖維繩在軸向荷載下的內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算。得到了纖維繩的內(nèi)力與應(yīng)力隨纖維繩軸向應(yīng)變、結(jié)構(gòu)參數(shù)(如手性、初始螺旋角等)的變化曲線。發(fā)現(xiàn)采用分層計(jì)算方法計(jì)算纖維繩的軸向拉力會(huì)更準(zhǔn)確,而直接計(jì)算方法更適用于計(jì)算扭矩的大小。另外,纖維繩的力學(xué)性能可以由纖維繩的手性、纖維的初始螺旋角、纖維的數(shù)量等準(zhǔn)確地控制。第二部分研究了復(fù)雜多級螺旋結(jié)構(gòu)纖維繩的摩擦效應(yīng)。纖維繩中不同的繩股內(nèi)纖維的摩擦情況也不同。研究過程中依然以曲桿理論為基礎(chǔ),并考慮泊松效應(yīng),忽略纖維的接觸變形。主要分析了軸向拉伸應(yīng)變、手性、螺旋纖維纏繞角等對纖維的接觸力與摩擦力分布情況的影響。發(fā)現(xiàn)手性對纖維的接觸力與摩擦力無顯著影響。而纖維間的接觸力與摩擦力與螺旋纖維在繩股中的排列位置密切相關(guān),其中,芯繩股中螺旋纖維間的接觸力與摩擦力隨螺旋纖維纏繞角周期性變化的趨勢約為正弦曲線,而螺旋繩股中芯纖維與螺旋纖維之間的摩擦力隨螺旋纖維纏繞角周期性變化的趨勢約為"w"形曲線。第三部分研究了纖維遷移對多級螺旋結(jié)構(gòu)纖維繩力學(xué)行為的影響。分析了取不同結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí),纖維繩的內(nèi)力與應(yīng)力隨纖維遷移周期的變化。主要原理是纖維的遷移行為會(huì)影響纖維繩的內(nèi)部結(jié)構(gòu),進(jìn)而影響其力學(xué)性能。數(shù)值結(jié)果表明,當(dāng)考慮纖維遷移時(shí),纖維的內(nèi)力與應(yīng)力沿纖維繩的長度存在周期性的非單調(diào)變化。在遷移的半周期點(diǎn)上,纖維繩的軸向拉力與扭矩會(huì)出現(xiàn)一個(gè)跳躍。即在纖維遷移方向改變處,有纖維斷裂的危險(xiǎn)。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O341
【部分圖文】：

2 理想多級螺旋結(jié)構(gòu)纖維繩力學(xué)行為分析纖維繩的力學(xué)模型從最初的單層單股結(jié)構(gòu)逐步發(fā)展成現(xiàn)在復(fù)雜的多級螺旋結(jié)構(gòu)而纖維繩的多級螺旋結(jié)構(gòu)也是最貼近實(shí)際應(yīng)用的。纖維繩多級螺旋結(jié)構(gòu)分為很多種，有含獨(dú)立繩芯的和不含獨(dú)立繩芯的，也有多纖維層的和單纖維層的。本研究中的纖維繩的力學(xué)模型是含獨(dú)立繩芯的單纖維層多級螺旋結(jié)構(gòu)。2.1 多級螺旋結(jié)構(gòu)纖維繩的幾何描述在本研究中，先考慮纖維繩的多層螺旋結(jié)構(gòu)。我們引入?yún)��?shù)p 和f 分別表示繩股和纖維的螺旋手性。如果p 1或f 1，則繩股或纖維為右手螺旋；如果p 1 或f 1 ，則為左手螺旋。此外，我們采用參數(shù)p f 來描述雙層螺旋結(jié)構(gòu)纖維繩的手性。如果螺旋的繩股內(nèi)纖維的螺旋手性與其不同，則 1 ；反之，則 1。

華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文的內(nèi)力與應(yīng)變直的纖維繩受到軸向載荷時(shí)，通常會(huì)發(fā)生拉伸和扭轉(zhuǎn)的變形，如圖維繩內(nèi)的繩股Ⅰ受到軸向拉力和扭矩，繩股Ⅱ既受到軸向拉力這種自下而上的分析方法中，雙螺旋的纖維Ⅳ簡化為單螺旋纖曲。在本節(jié)中我們先考慮繩股受到軸向拉伸和扭轉(zhuǎn)時(shí)繩股內(nèi)纖維析繩股受彎曲時(shí)纖維的響應(yīng)。

現(xiàn)在考慮一段無窮小長度的纖維在最一般加載情況下的變形[28]，如圖2-3 所示。其中，s為纖維中心線的弧長。全局坐標(biāo)仍為笛卡兒坐標(biāo)系統(tǒng) x, y ,z ，而n，b，t分別表示纖維中心線上任意一點(diǎn)處的正法線、副法線、切線方向。纖維的內(nèi)力：力 N
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本文編號：2884350