基於幾何關係漸進迭代的圓股鋼絲繩及鋼纜設計方法

2023-10-10 18:18:49 2

專利名稱：基於幾何關係漸進迭代的圓股鋼絲繩及鋼纜設計方法
技術領域：
本發明屬於鋼絲繩產品設計技術領域，特別涉及一種漸進迭代的圓股鋼絲繩及鋼纜設計方法。

背景技術：
傳統的圓股鋼絲繩設計方法採用解析公式和經驗公式進行計算，在一定的假設前提下，利用解析幾何方法推導出鋼絲繩各股和絲的幾何方程，建立各種設計參數的解析計算公式或經驗計算公式，得到最終的鋼絲繩配絲設計方案。
傳統的鋼絲繩設計方法依據一定的假設前提條件，採用解析幾何方法推導計算公式，存在如下問題 1、不考慮鋼絲繩加工捻制過程對鋼絲繩的股與絲的形態影響，假設股與絲截面均是標準圓形，該假設的前提條件不符合實際情況； 2、對於點接觸結構鋼絲繩假設各層鋼絲直徑相等，使用經驗公式進行設計計算； 3、對於線接觸結構鋼絲繩假設同層鋼絲大小相等並緊密相切，且切點與坐標原點連線垂直於鋼絲中心連線，同層鋼絲/股的直徑相同；該假設條件對於大多數捻制變形後的鋼絲繩產品不成立； 4、沒有考慮鋼絲繩各同層股之間，股中同層鋼絲之間的間隙； 傳統的設計方法基於前提假設推導計算公式，並據此給出經驗性公式，應用於各種結構和規格的鋼絲繩設計。其缺點在於 1、按照經驗公式進行計算只適用於已有產品，在新產品設計與開發時失效； 2、點接觸結構鋼絲繩中，各鋼絲捻制前的直徑多數情況下不相等，不符合假設條件，造成計算偏差較大； 3、線接觸結構鋼絲繩設計的前提假設不符合實際情況，造成的計算偏差較大； 4、沒有考慮鋼絲捻制加工後的實際形變狀態； 5、沒有考慮鋼絲間，股繩間的間隙； 由此，傳統設計方法計算準確性低、計算結果不能真實反映產品的實際情況、不能適應鋼絲繩間隙設計理念，致使無法將設計結果直接運用於生產實際，造成了設計與生產的脫節。


發明內容
本發明針對現有技術存在的問題，提供一種基於幾何關係漸進迭代的圓股鋼絲繩及鋼纜設計方法，可在設計階段真實反映圓股鋼絲繩加工後的股與絲形態變化、利用計算機進行漸進迭代計算、實現圓股鋼絲繩和鋼纜最優配絲的設計計算。
鋼絲繩主要產品及其組件包括單股繩、鋼繩、鋼纜。鋼絲繩產品及其組件均由鋼絲經過一次或多次捻制而成。以IWS(鋼芯)點接觸鋼絲繩產品為例，給出產品及其股組件的截面，如圖1所示。
圓股鋼絲繩配絲設計問題可描述如下給定鋼絲繩/鋼纜的公稱直徑及增量要求(實際外接圓直徑)、鋼絲繩/纜的構造層次結構(構成鋼絲繩的股部件的結構與層次關係和每股的結構與構成鋼絲個數)以及捻距倍數，在保證各層/股和鋼絲相互結構關係約束的條件下，計算各層股的配絲(構造股所用各種鋼絲的直徑)、捻角、捻縮率、捻距等捻制參數，保證繩中同層股、股中同層絲之間的間隙，使整繩/纜達到技術性能指標要求。鋼絲繩配絲設計過程可劃分為正向設計計算和反向圓整校驗計算兩部分，在整個設計過程中，這兩部分需要交替反覆進行。
正向設計計算對於任一給定公稱直徑及增量要求(實際外接圓直徑)、結構、捻距倍數的鋼絲繩，按照鋼絲與股在製造過程中的捻制形態變化，設計計算出組成鋼絲繩的鋼絲與股的直徑以及空間分布位置，計算各項性能參數和指標，滿足預先設定的同層相鄰鋼絲/相鄰股之間的最小間隙要求。
反向圓整校驗計算給定鋼絲繩的結構、一組配絲方案、捻距倍數，按照鋼絲繩實際生產製造過程中各股/各絲的實際形態，驗證計算鋼絲繩的外徑、同層相鄰鋼絲之間以及同層相鄰股之間的最小間隙值、各項性能參數。
設計參數 在鋼絲繩設計過程中，需要考慮多項設計參數，這些參數包括 1)產品公稱外徑鋼絲繩產品的理論外接圓直徑；產品實際外接圓直徑應該大於理論外接圓直徑(設計要求)； 2)公稱直徑增量產品公稱直徑增量；產品公稱直徑和公稱直徑增量共同決定產品的實際要求外接圓直徑(設計要求)； 3)產品結構當前鋼絲繩產品的結構(設計前已知)； 4)繩外徑(規格)纜產品中繩組件在捻制變形前的實際外接圓直徑； 5)繩結構當前纜產品中繩組件的結構； 6)繩間間隙鋼纜產品中，同層相鄰繩組件之間的最短距離； 7)股外徑(規格)鋼絲繩中股組件在捻制變形前的實際外接圓直徑； 8)股結構當前鋼絲繩產品中股組件的結構； 9)股間間隙鋼絲繩產品中，同層相鄰股組件之間的最短距離； 10)股中絲間隙股組件中，同層相鄰鋼絲之間的最短距離； 11)絲規格鋼絲繩中使用的鋼絲在捻制變形前的截面直徑； 12)捻制參數捻制角、捻縮率、捻距、捻距倍數；除捻距倍數外，其他捻制參數設計前是未知的； 13)位置參數原心距、偏移角； 14)性能參數破斷力、破斷力總和、百米重量、彎曲剛度等； 設計方法 漸進迭代的圓股鋼絲繩配絲設計方法是基於鋼絲繩間隙設計思想，不預先對鋼絲繩產品的結構關係和組成部件形態進行任何假設，直接考慮鋼絲繩的捻制加工狀態，採用數值模擬仿真方法，以漸進迭代、逐步趨近的方式進行設計計算，可在設計過程中真實反映鋼絲繩產品的實際捻制狀態和捻制工藝參數，提高設計的精準度和真實度，符合實際生產情況。
該方法依據設計要求，生成鋼絲繩初始配絲方案，通過漸進迭代的方式，將不滿足結構、間隙、外接圓直徑要求的初始配絲方案逐步推進到滿足各項要求，最終得到較優的配絲方案(包括配絲所需各項參數)；設計過程中，還需通過漸進迭代、逐步趨近的方式，對當前配絲方案進行反向圓整校驗計算，計算所需各項參數。
在優化設計整體策略上，正向設計計算和反向圓整校驗計算採用不同的漸進式流程。正向設計計算採用由整體得到部分的求解策略，分層計算，得到配絲。當設計產品為纜時，首先計算纜中鋼繩的規格、位置參數、捻制參數、繩間實際間隙等；其次，按照計算結果產生(或讀取現有的)纜中繩設計要求等，並計算繩中股的的規格、位置參數、捻制參數、股間實際間隙等；再次，按照計算結果產生(或讀取現有的)繩中股設計要求，並計算股中絲的規格、位置參數、捻制參數、絲間實際間隙等；當設計產品為繩時，首先計算繩中股的的規格、位置參數、捻制參數、股間實際間隙等；其次，按照計算結果產生(或讀取現有的)繩中股設計要求，並計算股中絲的規格、位置參數、捻制參數、絲間實際間隙等；當設計產品為股時，直接計算股中絲的規格、位置參數、捻制參數、絲間實際間隙等。反向圓整校驗計算過程採用由部分到整體的校驗流程。當產品為股時，直接校驗股中絲的位置參數、絲間實際間隙、捻制參數；當產品為繩時，首先直接校驗股中絲的位置參數、絲間實際間隙、捻制參數；其次利用股校驗後的數據，校驗繩中股的位置參數、股間實際間隙、捻制參數等；當產品為纜時，首先直接校驗股中絲的位置參數、絲間實際間隙、捻制參數；其次，利用股校驗後的數據，校驗繩中股的位置參數、股間實際間隙、捻制參數；再次，利用繩校驗後的數據，校驗纜中繩的位置參數、繩間實際間隙、捻制參數等。
圓股鋼絲繩產品設計中需要考慮圓股鋼絲繩中鋼絲捻制後的變形情況描述、位置描述、間隙求解、位置關係判斷、初值估算幾個基礎性技術，這幾項技術的處理方法可以描述如下 1)捻制變形考慮鋼絲繩捻制的特殊生產工藝，捻制前截面為圓形的鋼絲、股組件、繩組件，在捻制後將變形為橢圓；生產過程中存在多次捻制的情況。通常，捻距倍數和結構共同決定了鋼絲的形變。如果設捻制前圓形鋼絲(或股組件、繩組件)的半徑為b，表徵捻制形變的捻制角為β，則捻制後，表徵其形變的橢圓的短半軸長度為b，長半軸長度為b/cosβ； 2)位置描述考慮繩中股(或股中絲、纜中繩)的捻制狀態，可以將其在二維平面上的位置描述如下式，其中，a代表繩中股(或股中絲、纜中繩)捻制後的長軸，b代表捻制後的短軸，t代表(0～360°)的參變量，θ代表股在繩中(或絲在股中、繩在纜中)的偏移角，R代表原心距(繩中股到繩中心的距離，股中絲到股中心的距離、纜中繩到纜中心的距離)；位置示意圖如圖9所示； 3)間隙求解由於繩中股(或股中絲、纜中繩)的捻制變形，很難得到關於間隙的解析，因此依靠計算機將連續型計算離散化，通過數值模擬仿真的方法，可以得到相鄰繩中股(或股中絲、纜中繩)在捻制變形後的間隙，具體計算方法為分別取相鄰股(或鋼絲、鋼繩)之間可能出現最短距離的區間C1、C2的離散點集合n1、n2，通過計算不同集合中各點之間的最短距離計算鋼絲(或股、繩)之間的最短距離； 4)位置關係判斷在處理結構約束時，股(或絲、繩)之間位置關係可以表述為相鄰鋼股(或絲、繩)之間的相離、相切、相交三種關係。如果設相鄰股(或絲、繩)間的最短距離為Cmin，則將各種位置關係下的相鄰鋼股(或絲、繩)間最短距離定義為1.股(或鋼絲、繩)相交時Cmin＜ε1，2.股(或鋼絲、繩)相切時，ε1＜Cmin＜ε2；3.股(或鋼絲、繩)相離時，Cmin＞ε2；其中，ε1、ε2表示一個較小的正數，且ε2＞ε1。三種位置關係中，最短距離Cmin的示意圖如圖10； 5)初始值估算正向設計計算和反向圓整校驗計算中，涉及到不同參數的初始值估算。關於股中鋼絲(或繩中股、纜中繩)規格、位置參數初始值的估算應該根據具體的結構形式進行處理，允許有不同的初始值估算方式，好的初始值可以提高計算的速度和精度。總體上可以採用這樣一種估算方式假設捻制前股中各鋼絲(或繩中各股、纜中各繩)均為圓形，且相鄰絲(或股、繩)之間保持給定的間隙要求，通過各層鋼絲(或繩中各股、纜中各繩)之間的結構關係，估算捻制前鋼絲(或繩中各股、纜中各繩)的規格與位置參數初始值。圖11給出了點接觸當前層股位置參數及規格初始值估算方式，具體結果參見實施案例中的公式(1)、(2)；圖12給出了西魯式內層鋼絲位置參數及規格初始值估算方式，具體結果參見實施案例中的公式(3)、(4)。
設計流程 鋼絲繩產品及其組件可分為鋼纜、鋼繩、股三種，總體結構具有相似性，可以分為點接觸、線接觸、點線複合結構三種。在具體結構上變化多樣，可配置產生多種結構。
圖2為鋼絲繩產品的總體設計流程圖，該流程包含了鋼絲繩產品從正向設計計算到反向圓整校驗計算的整個混合計算流程，其中正向設計計算包括鋼絲繩的鋼纜配繩、繩配股設計計算和(或)股配絲設計計算，分別由圖3、圖4和圖5給出；反向圓整校驗計算包括股設計校驗、整繩設計校驗、纜設計校驗計算，分別由圖6、圖7和圖8給出。
總體設計過程 鋼絲繩產品的總體設計過程參見圖2 步驟1、讀取/輸入當前設計產品的結構、性能、外接圓直徑(或半徑)、捻距倍數、間隙及間隙誤差等設計要求； 步驟2、判斷產品類型如果當前設計產品為纜，則轉到步驟3；如果當前設計產品為繩，則轉到步驟6；如果當前設計產品為股，則轉到步驟9； 步驟3、計算纜中繩的規格、位置參數、捻制參數等，具體方式見子過程1； 步驟4、判斷當前纜中繩的規格是否滿足設計要求如果滿足，轉到步驟5；否則，調整繩規格，同時調整繩在纜中的位置，計算繩的捻制參數等，具體方式見子過程2； 步驟5、生成關於纜中各繩的設計要求，包括繩規格(由步驟1-步驟4產生)、繩捻距倍數、繩中股間間隙及其誤差要求等； 步驟6、計算繩中股的規格、位置、捻制參數等，具體方式見子過程3； 步驟7、判斷當前繩中股的規格是否滿足設計要求如果滿足，轉到步驟8；否則，調整股規格，同時調整股在繩中的位置，計算股的捻制參數等，具體方式見子過程4方式； 步驟8、生成關於繩中各股的設計要求，包括股規格(由步驟6-步驟7產生)、股捻距倍數、股中絲間間隙及其誤差要求等； 步驟9、計算股中絲的規格、位置、捻制參數等，具體方式見子過程5； 步驟10、判斷當前股中絲的規格是否滿足設計要求如果滿足，轉到步驟14；否則，調整絲規格，同時調整絲在股中的位置，計算絲捻制參數等，具體方式見子過程6； 步驟11、判斷當前產品類型如果當前設計產品為股，跳轉到步驟15；否則，執行步驟12； 步驟12、調整股在繩中的位置，計算股捻制參數，具體方式見子過程4； 步驟13、判斷當前產品類型如果當前設計產品為繩，跳轉到步驟15；否則，執行步驟14； 步驟14、調整繩在纜中的位置，計算繩捻制參數，具體方式見子過程2； 步驟15、計算產品各項性能參數； 步驟16、當前設計是否符合設計要求如果符合，轉到步驟17；否則轉到步驟10； 步驟17產品設計完畢。
子過程1 纜中繩正向設計計算過程(纜配繩)參見圖3 步驟1、讀取纜結構、性能、外接圓直徑(或半徑)、捻距倍數、間隙及間隙誤差等設計要求； 步驟2、將纜中鋼繩按計算的邏輯順序編號為1......n1； 步驟3、根據纜產品具體設計要求估算纜中各繩規格、位置等參數的初始值； 步驟4、設定計數器變量i＝1； 步驟5、採用數值方式模擬纜中第i號繩組件的捻制狀態；捻制參數和位置參數有關，通過漸進迭代、逐步趨近的方式逐漸調節第i號繩組件的位置和捻制參數，使其更加符合實際狀況； 步驟6、判斷第i號繩組件的位置是否滿足結構約束如果滿足，轉到步驟7；否則，按照捻制後的實際狀態調節第i號繩在纜中的實際位置，轉到步驟5； 步驟7、第i號繩組件所在層相鄰繩之間的間隙(即最短距離)是否滿足要求如果滿足要求，轉到步驟8；否則，調節繩規格，轉到步驟5； 步驟8、是否處理完所有繩組件如果i＝n1，則處理完畢所有繩組件，轉到步驟9；否則i＝i+1，轉到步驟5； 步驟9、纜中繩正向設計計算完畢。
子過程2 纜中繩反向圓整校驗計算過程如圖8所示 步驟1、讀取纜結構、繩規格、纜的捻距倍數等參數； 步驟2、將纜中繩按照由內向外、由大到小的順序編號為1......n1； 步驟3、設定計數器變量i＝1； 步驟4、產生第i號繩的位置參數初始值，採用數值方式模擬纜中第i號繩組件的捻制狀態，並計算捻制參數；捻制參數和位置參數有關，通過漸進迭代、逐步趨近的方式逐漸調節位置和捻制參數，能使其更加符合實際狀況； 步驟5、第i號繩是否滿足結構要求如果滿足，轉到步驟6；否則，逐漸調節繩位置參數，並不斷修正捻制參數，並轉到步驟4； 步驟6、是否處理完所有繩組件如果i＝n1，則處理完畢所有繩組件，轉到步驟7；否則i＝i+1，轉到步驟4； 步驟7、計算同層相鄰繩組件之間的最短距離； 步驟8、是否計算性能參數是，計算性能參數，並轉到步驟8；否，轉步驟9； 步驟9、纜中繩反向圓整校驗計算完畢。
子過程3 繩中股的正向設計計算(繩配股)和纜中繩正向設計計算過程有相似之處，可參看流程圖4 步驟1、讀取繩結構、性能、外接圓直徑(或半徑)、捻距倍數、間隙及間隙誤差等設計要求； 步驟2、將繩中股按計算的邏輯順序編號為1......n2； 步驟3、根據繩產品具體設計要求估算繩中各股規格、位置等參數的初始值； 步驟4、設定計數器變量i＝1； 步驟5、採用數值方式模擬繩中第i號股組件的捻制狀態；捻制參數和位置參數有關，通過漸進迭代、逐步趨近的方式逐漸調節第i號股組件的位置和捻制參數，使其更加符合實際狀況； 步驟6、判斷第i號股組件的位置是否滿足結構約束如果滿足，轉到步驟7；否則，按照捻制後的實際狀態調節第i號股在繩中的實際位置，轉到步驟5； 步驟7、第i號股組件所在層相鄰股之間的間隙(即最短距離)是否滿足要求如果滿足要求，轉到步驟8；否則，調節股規格，轉到步驟5； 步驟8、是否處理完所有股組件如果i＝n3，則處理完畢所有股組件，轉到步驟9；否則i＝i+1，轉到步驟5； 步驟9、繩中股正向設計計算完畢。
子過程4 繩中股的反向圓整校驗計算和纜中繩反向圓整校驗計算過程有相似之處，參看圖7 步驟1、讀取繩結構、股規格、繩的捻距倍數等參數； 步驟2、將繩中股按照由內向外、由大到小的順序編號為1......n2； 步驟3、設定計數器變量i＝1； 步驟4、產生第i號股的位置參數初始值，採用數值方式模擬繩中第i號股組件的捻制狀態，並計算捻制參數；捻制狀態和位置有關，通過漸進迭代、逐步趨近的方式逐漸調節位置和捻制參數，能使其更加符合實際狀況； 步驟5、第i號股是否滿足結構要求如果滿足，轉到步驟6；否則，逐漸調節股位置參數，並不斷修正捻制參數，並轉到步驟4； 步驟6、是否處理完所有股組件如果i＝n2，則處理完畢所有股組件，轉到步驟7；否則i＝i+1，轉到步驟4； 步驟7、計算同層相鄰股組件之間的最短距離； 步驟8、是否計算性能參數是，計算性能參數，並轉到步驟8；否，轉步驟9； 步驟9、繩中股反向圓整校驗計算完畢。
子過程5 股中絲的正向設計計算(股配絲)和纜中繩、繩中股正向設計計算過程有相似之處，參看圖5 步驟1、讀取股結構、性能、外接圓直徑(或半徑)、捻距倍數、間隙及間隙誤差等設計要求； 步驟2、將股中絲按計算的邏輯順序編號為1......n3； 步驟3、根據股產品具體設計要求估算股中各絲規格、位置等參數的初始值； 步驟4、設定計數器變量i＝1； 步驟5、採用數值方式模擬股中第i號絲的捻制狀態；捻制狀態和位置有關，通過漸進迭代、逐步趨近的方式逐漸調節第i號絲的位置和捻制參數，使其更加符合實際狀況； 步驟6、判斷第i號絲的位置是否滿足結構約束如果滿足，轉到步驟7；否則，按照捻制後的實際狀態調節第i號絲在股中的實際位置，轉到步驟5； 步驟7、第i號絲所在層相鄰絲之間的間隙(即最短距離)是否滿足要求如果滿足要求，轉到步驟8；否則，調節絲規格，轉到步驟5； 步驟8、是否處理完所有絲組件如果i＝n3，則處理完畢所有絲組件，轉到步驟9；否則i＝i+1，轉到步驟5； 步驟9、股中絲正向設計計算完畢。
子過程6 股中絲的反向圓整校驗計算和纜中繩、繩中股反向圓整校驗計算過程有相似之處，看參看圖6 步驟1、讀取股結構、絲規格、股的捻距倍數等參數； 步驟2、將股中絲按照由內向外、由大到小的順序編號為1......n3； 步驟3、設定計數器變量i＝1； 步驟4、產生第i號絲的位置參數初始值，採用數值方式模擬股中第i號絲的捻制狀態，並計算捻制參數；捻制參數和位置參數有關，通過漸進迭代、逐步趨近的方式逐漸調節位置和捻制參數，能使其更加符合實際狀況； 步驟5、第i號絲是否滿足結構要求如果滿足，轉到步驟6；否則，逐漸調節絲位置參數，並不斷修正捻制參數，並轉到步驟4； 步驟6、是否處理完所有絲如果i＝n3，則處理完畢所有絲，轉到步驟7；否則i＝i+1，轉到步驟4； 步驟7、計算同層相鄰絲之間的最短距離； 步驟8、是否計算性能參數是，計算性能參數，並轉到步驟8；否，轉步驟9； 步驟9、股中絲反向圓整校驗計算完畢。
本發明優點 本發明是利用計算機進行漸進迭代，實現圓股鋼絲繩和鋼纜最優配絲設計的計算方法，適用於多種點接觸、線接觸、點線複合結構的圓股鋼絲繩和鋼纜的設計計算。該方法基於鋼絲繩間隙設計理念，不預先對捻制後待設計的鋼絲繩產品及其組成部件的形態和結構關係進行任何假設，直接考慮鋼絲繩及其組成部件的捻制狀態，採用數值模擬仿真方法漸進進行設計計算，可在設計過程中真實反映鋼絲繩產品的實際捻制狀態和捻制工藝參數，提高設計的精準度和真實度。
本發明的主要特徵在於 1、設計流程上，在正向配絲設計階段採用由整體到部分的求解策略，在反向圓整校驗階段採用由部分到整體的求解策略。
2、考慮鋼絲繩各組成部件(繩中各股，股中各絲)的捻制形態變化，將平面(鋼絲繩斷面)上任意位置的股截面和鋼絲截面按相應捻制形態表示為具有不同橢圓度和位置參數的橢圓。
3、對於各個橢圓在設定的幾何坐標內進行數值離散化，用離散的點的數值集合進行計算，代替利用橢圓方程進行解析計算。
4、考慮實際捻制狀態下鋼絲繩各股之間、股中鋼絲之間的間隙要求，依據鋼絲繩結構約束(鋼絲繩中處於同層的股以及相鄰層的股之間的結構位置關係，鋼絲繩各股中處於同層和相鄰層鋼絲之間的結構位置關係)要求，計算實際捻制狀態下，滿足間隙和結構約束要求的鋼絲繩的各組成股和每一股的各組成絲的實際形狀與空間位置分布，進而求出鋼絲繩製造所需的各種鋼絲和股的直徑、捻制參數、空間位置，得到鋼絲繩配絲設計方案，並由此方案計算鋼絲繩各種性能參數，根據性能參數要求調整配絲設計方案，直至滿足性能要求，得到最終的配絲優化設計結果。
5、根據給定的鋼絲繩結構要求以及配絲方案，對鋼絲繩的捻制參數，鋼絲繩各股/各絲之間的間隙進行計算和校驗，測算鋼絲繩的性能參數。



圖1一種鋼絲繩產品及其股組件截面圖(a)-鋼絲繩IWS點接觸結構鋼絲繩產品，(b)-外層股瓦林吞-西魯式，(c)-中心股西魯式，c1-繩中股間間隙，c2-股中絲間間隙，c3-股中絲間間隙； 圖2本發明鋼絲繩產品設計總體流程圖； 圖3本發明纜配繩正向設計計算流程圖； 圖4本發明繩配股正向設計計算流程圖； 圖5本發明股配絲正向設計計算流程圖； 圖6本發明股校驗計算流程圖； 圖7本發明繩校驗計算流程圖； 圖8本發明纜校驗計算流程圖； 圖9本發明繩中股(或股中絲)位置描述a-繩中股(或股中絲)捻制後的長半軸，b-代表捻制後的短半軸，t-(0～360°)的參變量，θ-股在繩中(或絲在股中)的偏移角，R-原心距(繩中股到繩中心的距離，股中絲到股中心的距離)； 圖10本發明相鄰股(或鋼絲)間三種位置關係示意圖(a)-相交，(b)-相離，(c)相切； 圖11本發明點接觸股外徑初始估算方法示意圖D-實際外接圓直徑，R-原心距，d捻制前組件的直徑(所描述問題中需要估算的值)，c0-間隙要求，Δc0-間隙允許誤差；圖12本發明西魯式內層鋼絲直徑初始值估算方法示意圖D-實際內切圓直徑，R-原心距，d捻制前組件的直徑(所描述問題中需要估算的值)，c0-間隙要求，Δc0-間隙允許誤差；圖13本發明案例中產品配絲計算仿真截面(a)-產品最優配絲結果仿真截面，(b)-股組件最優配絲結果仿真截面，c1-西魯式內層，c2-西魯式外層； 圖14本發明案例中產品校驗計算仿真截面(a)-產品反向圓整校驗計算結果仿真截面，(b)-股組件反向圓整校驗計算結果仿真截面，c1-西魯式內層，c2-西魯式外層；
具體實施例方式 設計要求 鋼絲繩公稱外徑30mm； 鋼絲繩外徑增量0％，允許範圍為0％～6％； 鋼絲繩產品結構0+6的點接觸式(中心為纖維芯)； 繩的捻距倍數7； 股間間隙要求0.1mm； 股間間隙允許誤差0.005mm； 股組件外接圓直徑按照繩計算結果確定； 股組件結構1+6+6的西魯式； 股中絲間間隙要求按照由內層向外層的順序分別為0.05mm和0.06mm； 股中絲間間隙允許誤差按照由內層向外層的順序分別為0.005mm和0.005mm； 股的捻距倍數8； 求解算法 根據圖2所示，在鋼絲繩產品設計中，繩配股、股配絲、股校驗、繩校驗的計算是分別依次進行的。配合圖4、5、6、7，以及具體實施方式
，將案例中的繩配股、股配絲、股校驗、繩校驗的的計算過程描述如下 1、繩配股繩整體結構為點接觸式，其正向設計算法具體步驟如下 步驟1、讀取點接觸層數N(本案例中N＝1)，按照由內層向外層的物理順序作為設計的邏輯順序，將股組件編號為1......N，本案中N＝1；讀入鋼絲繩外徑要求D0(本案例為30mm)和增量add(本案例為0％)，共同得到外徑要求D；讀取各層股間間隙及間隙誤差要求；設置計數器i＝N； 步驟2、如果N＝0，輸出各編號的捻制前直徑、圓心距、捻制角、捻縮率、各層實際間隙等各項參數，令中心鋼絲(或纖維芯)直徑d0＝D，轉向步驟5；否則轉入步驟3； 步驟3、計算第i層股的規格、位置參數等初始值，保證第i層股的公共外接圓直徑為D； 步驟4、令第i號股發生捻制，得到捻制參數；計算第i層股間實際間隙ci； 步驟5、如果相鄰的第i層股之間的實際間隙ci滿足設計要求，轉到步驟6；如果所求ci大於間隙及間隙誤差的上限ci0+Δci0(本案例中，c10＝0.1mm，Δci0＝0.005mm)，則增大股規格，調節股位置參數，轉到步驟4；如果所求ci小於間隙及間隙誤差的下限ci0-Δci0，則減小股規格，調節股位置參數，轉到步驟4；本案例中i＝1； 步驟6、所有計算第i號股的相關參數，包括直徑di、圓心距Ri、捻制角βi、捻縮率εi、該層實際間隙ci等； 步驟7、D＝D-2·di，i＝i-1，轉向步驟2； 步驟8、計算各項性能參數，輸出以上計算的各項參數，設計結束； 上述流程中，關於股的初始值可以使用式(1)、(2)進行估算，估算示意圖如圖11所示 因為對於空間任意股間最短距離為minc＝D′-d/2，其中，D′-圓心距(相鄰股間圓心的距離)，b＝d/2-股捻制前的圓半徑。
可知圓1的圓心坐標為((R′-b)cosθ1，(R′-b)sinθ1)，圓2的圓心坐標為((R′-b)cosθ2，(R′-b)sinθ2)。其中，R′＝D/2。其中，θ1、θ2表示圓1和圓2的偏移角。
在圓的情況下，按間隙為maxc＝c0+Δc0進行計算可以得到 經過整理化簡可以得到關於b的式子 原心距為R＝R′-b(2) 步長設計在計算中，需要迭代變化鋼絲規格，增大鋼絲規格的步長可以設為0.25·[c-(c0-Δc0)]，減小鋼絲規格的步長為0.1·[(c0+Δc0)-c]。
2、股配絲本案例中股結構為西魯式，其正向設計算法具體步驟如下 步驟1、讀取西魯式的結構1+N+N，讀入外徑要求D0和增量add(本案例為0％)，共同得到外徑要求D；讀取各層股間間隙及間隙誤差要求；本案例中，N＝6； 步驟2、按照由內層向外層的物理順序將絲的邏輯順序編號為1，2； 步驟3、計算第2號絲的規格、位置參數等初始值，要求第2號股的公共外切圓直徑為D； 步驟4、令第2號絲發生捻制，得到捻制參數；計算相鄰的2號絲間的最短距離c2； 步驟5、如果相鄰的第2號絲之間的實際間隙c2滿足設計要求，轉到步驟6；如果所求c2大於間隙及間隙誤差的上限c20+Δc20，則增大絲規格，調節絲位置參數，轉到步驟4；如果所求c2小於間隙及間隙誤差的下限c20-Δc20，則減小絲規格，調節絲位置參數，轉到步驟4； 步驟6、計算得到外層絲(2號股)捻制前直徑d2、圓心距R2、捻制角β2、捻縮率ε2、實際間隙c2等各項參數； 步驟7、估算1號鋼絲各項參數的初始值，包括捻制前直徑d1、圓心距R1、捻制角β1等，得到中心鋼絲(或填充質)的直徑d0＝2R1-d1； 步驟8、令第1號絲發生捻制，得到捻制參數；計算相鄰1號鋼絲間的間隙c1； 步驟9、如果相鄰的1號絲之間的實際間隙c1滿足設計要求，轉到步驟10；如果所求c1大於間隙及間隙誤差的上限c10+Δc10，則按照步長h3增大絲規格，調節絲位置參數，轉到步驟8；如果所求c1小於間隙及間隙誤差的下限c10-Δc10，則按照步長h4減小絲規格，調節絲位置參數，轉到步驟10； 步驟10、計算內層鋼絲與外層鋼絲之間的距離clea_diff，則 如果clea_bottom＜clea_diff＜clea_top，([clea_bottom，clea_top]，是異層鋼絲之間相切時的間隙範圍)，輸出各層的各項參數，轉到步驟11； 如果clea_diff＜clea_top，按照步長h1減小中心絲直徑d0，跳回步驟8； 如果clea_diff＞clea_bottom，按照步長h2增大中心絲直徑d0，則跳轉到步驟8； 步驟11、計算各項性能參數，輸出以上計算的各項參數，設計結束； 上述流程中，關於外層鋼絲初始值及步長的估算方法可以參考正向配股計算中股的計算方法。另外，本流程需要考慮內層鋼絲初始規格及位置，可按照式(3)、(4)進行估算，示意圖如圖12所示 因為在空間任意圓時，兩圓間最短距離為minc＝D′-d/2，其中，D′-圓心距(相鋼絲圓心間的距離)，b＝d/2-鋼絲捻制前的圓半徑。
可知圓1的圓心坐標為((R′+b)cosθ1，(R′+b)sinθ1)，圓2的圓心坐標為((R′+b)cosθ2，(R′+b)sinθ2)。其中，R′＝D/2。其中，θ1、θ2表示圓1和圓2的傾斜角。
在圓的情況下，按間隙為maxc＝c0+Δc0進行計算可以得到 經過整理化簡可以得到關於b的式子 原心距為R＝R′+b(4) 步長設計h1＝0.8d0；h2＝0.2(clea_diff-clea_bottom)，h3＝0.5□[c-(c0-Δc0)]，h3＝0.5□[c-(c0-Δc0)]，h4＝0.33□[(c0+Δc0)-c]。
3、股校驗股校驗方法具體步驟為 步驟1、讀取結構要求1+N+N，按照由內層向外層的順序將鋼絲編號為1，2；讀取中心鋼絲(或填充質)直徑d0、內層鋼絲直徑d1、外層鋼絲直徑d2； 步驟2、按照結構疊加的方式計算內層鋼絲的圓心距R1、捻制角β1、內層鋼絲之間的最短距離clea1； 步驟3、估算外層2號鋼絲的位置參數(圓心距)初始值R2； 步驟4、捻制2號鋼絲，計算捻制參數； 步驟5、如果2號鋼絲與1號鋼絲相切，則轉到步驟6；如果相離，則按照步長h1減小R2，轉到步驟4；如果相交，則按照步長h2增大R2，轉到步驟4； 步驟6、計算2號鋼絲之間的最短距離clea2；計算實際外接圓直徑； 步驟7、計算各項性能參數，輸出以上計算的各項參數，設計結束； 步長設計h1＝0.001，h2＝0.1。
4、繩校驗繩校驗方法具體步驟為 步驟1、讀入點接觸結構層數N，各層鋼絲直徑di，i＝0......N，i＝0表示中心鋼絲；設置計算器i＝1；讀取中心股(或填充質)直徑d0； 步驟2、如果i＝N號鋼絲的所有數據，輸出各編號鋼絲的圓心距、捻制角、捻縮率、各層實際間隙等各項參數，轉向步驟5；否則轉入步驟3； 步驟3、計算第i號鋼絲的相關參數包括圓心距Ri、捻制角βi、捻縮率εi、該層實際間隙ci等；其中，Ri＝d0+di/2； 步驟4、d0＝d0+2·di，i＝i-1，轉向步驟2； 步驟5、計算各項性能參數，計算外接圓直徑，輸出以上計算的各項參數，設計結束；設計參數計算結果 產品最初配絲設計中，所得的設計參數如下 1)纖維芯規格中心填充的纖維芯直徑為10.59821mm； 2)股外徑(規格)9.700897mm； 3)股間間隙0.0977688mm； 4)絲規格由中心鋼絲向外層鋼絲，其規格分別為1.39655mm，1.28655mm，3.137778mm； 5)股中絲間隙由內層向外層，相鄰絲間間隙為0.04927613mm，0.05783217mm 6)股捻制參數捻制角為17.39923°，捻縮率為1.40795，捻距為210； 7)股位置參數原心距10.14955mm，偏移角0度； 8)絲捻制參數由內層向外層，捻制角為6.22109°和15.22232°，捻縮率為1.005928和1.036361，捻距為77.60718(內外層捻距相等)； 9)絲位置參數由內層向外層，原心距為1.34155mm和3.28156mm； 正向配絲後所得的產品截面仿真效果圖如圖13所示 為了配合實際生產需要，對上述配絲進行調節並對其執行校驗(本案例進行一次反向圓整校驗計算)，所有鋼絲規格及捻距倍數為 1)絲規格由中心鋼絲向外層鋼絲，其規格分別為1.397mm，1.287mm，3.138mm； 2)捻距倍數繩的捻距倍數為7，股的捻距倍數為8； 可以得到校驗計算下的其他設計參數為 3)纖維芯規格中心填充的纖維芯直徑為10.59821mm； 4)股外徑(規格)9.70237mm； 5)股間間隙0.09692961mm； 6)股中絲間隙由內層向外層，相鄰絲間間隙為0.04896437mm，0.05715636mm 7)股捻制參數捻制角為17.400493°，捻縮率為1.407957，捻距為210； 8)股位置參數原心距10.15029mm，偏移角0度； 9)絲捻制參數由內層向外層，捻制角為6.388307°和15.313826°，捻縮率為1.006248和1.036813，捻距為77.60718(內外層捻距相等)； 10)絲位置參數由內層向外層，原心距為1.342mm和3.138mm；產品調整配絲方案後的校驗計算仿真效果圖如圖14所示。
權利要求
1.一種基於幾何關係漸進迭代的圓股鋼絲繩及鋼纜設計方法，其特徵在於根據鋼絲繩各組成部件捻制加工後的形態，採用數值模擬仿真方法，以漸進迭代、逐步趨近的方式進行設計計算，保證鋼絲繩各組成部件的間隙設計要求，其設計計算過程包括正向設計計算和反向圓整校驗計算兩部分，通過正向設計計算和反向圓整校驗計算的反覆配合使用，即在正向計算後，一次或多次進行反向圓整校驗計算，直到獲得滿足設計要求的設計參數，得到產
品配絲方案；
(1)所述正向設計計算是對於任一給定公稱直徑及增量要求、結構、部分捻制參數的鋼絲繩，按照鋼絲與股在製造過程中的捻制形態變化，設計計算出組成鋼絲繩的鋼絲與股的直徑以及空間分布位置，計算各項性能參數和指標，滿足預先設定的同層相鄰鋼絲/相鄰股之間的最小間隙要求；
(2)所述反向圓整校驗計算是給定鋼絲繩的結構、一組配絲方案、捻距倍數，按照鋼絲繩實際生產製造過程中各股/各絲的實際形態，驗證計算鋼絲繩的外徑、同層相鄰鋼絲之間以及同層相鄰股之間的最小間隙值、各項性能參數。
2.根據權利要求1所述的基於幾何關係漸進迭代的圓股鋼絲繩及鋼纜設計方法，其特徵在於所述正向計算階段採用由整體得到部分的求解策略
(1)當設計產品為纜時，首先計算纜中鋼繩的規格、位置參數、捻制參數、繩間實際間隙；其次，按照纜中各繩的設計要求，計算繩中股的的規格、位置參數、捻制參數、股間實際間隙；再次，按照不同繩組件中各股的設計要求，計算股中絲的規格、位置參數、捻制參數、絲間實際間隙；
(2)當設計產品為繩時，首先計算繩中股的的規格、位置參數、捻制參數、股間實際間隙；其次，按照繩中各股的設計要求，計算股中絲的規格、位置參數、捻制參數、絲間實際間隙；(3)當設計產品為股時，直接計算股中絲的規格、位置參數、捻制參數、絲間實際間隙。
3.根據權利要求1所述的基於幾何關係漸進迭代的圓股鋼絲繩及鋼纜設計方法，其特徵在於所述反向圓整校驗階段採用由部分到整體的求解策略；
(1)當產品為股時，直接校驗股中絲的位置參數、絲間實際間隙、捻制參數；
(2)當產品為繩時，首先直接校驗股中絲的位置參數、絲間實際間隙、捻制參數；其次，利用股校驗後的數據，校驗繩中股的位置參數、股間實際間隙、捻制參數；
(3)當產品為纜時，首先直接校驗股中絲的位置參數、絲間實際間隙、捻制參數；其次，利用股校驗後的數據，校驗繩中股的位置參數、股間實際間隙、捻制參數；再次，利用繩校驗後的數據，校驗纜中繩的位置參數、繩間實際間隙、捻制參數。
4.根據權利要求1所述基於幾何關係漸進迭代的圓股鋼絲繩及鋼纜設計方法，其特徵在於所述正向計算包括鋼絲繩產品的纜配繩、繩配股、股配絲設計計算中的一個或幾個環節；反向圓整校驗計算包括股設計校驗、繩設計校驗、纜設計校驗計算的一個或幾個環節。
5.根據權利要求1所述基於幾何關係漸進迭代的圓股鋼絲繩及鋼纜設計方法，其特徵在於正向設計計算方法
(1)依據設計要求，生成鋼絲繩初始配絲方案；
(2)通過漸進迭代的方式，將不滿足結構、間隙、外接圓直徑要求的初始配絲方案逐步推進到滿足各項要求，最終得到優化的配絲方案及各項組件與零件的規格、位置參數、捻制參數；
(3)設計過程中考慮鋼絲繩產品性能參數。
6.根據權利要求1所述基於幾何關係漸進迭代的圓股鋼絲繩及鋼纜設計方法，其特徵在於反向圓整校驗計算方法
(1)依據設計鋼絲繩初始配絲方案，通過漸進迭代的方式，將不滿足結構要求的初始配絲方案逐步推進到滿足各項要求，最終得到給定配絲方案和結構下各項組件與零件的位置參數、捻制參數，相鄰組件間的實際間隙，相鄰零件間的實際間隙；
(2)設計過程中考慮鋼絲繩產品性能參數。
7.根據權利要求1所述的基於幾何關係漸進迭代的圓股鋼絲繩及鋼纜設計方法，其特徵在於所述捻制變形是考慮鋼絲繩捻製成形的特殊生產工藝，截面為圓形的繩、股或絲在捻制後將形變為橢圓，如果設纜中繩、繩中股或股中絲的捻制角為β，捻制前纜中繩、繩中股或股中絲的半徑為b，則捻製成橢圓後，其短半軸長度為b，長半軸長度為b/cos(β)；
捻制前截面為圓形的繩、股或絲、在捻制後將變成橢圓，橢圓可以用以下公式描述
其中，a代表纜中繩、繩中股或股中絲捻制後的長軸，b代表捻制後的短軸，t代表0～360的參變量，
θ代表繩在纜中、股在繩中或絲在股中的偏移角，R代表原心距，纜中繩到纜中心的距離，繩中股到繩中心的距離，股中絲到股中心的距離。
8.根據權利要求1所述，基於幾何關係漸進迭代的圓股鋼絲繩及鋼纜設計方法，其特徵在於在計算捻制後相鄰絲或股、繩之間的間隙時，將表徵捻制變形後各組件和零件的橢圓離散化成點，用離散的點的計算代替連續的橢圓方程的計算。
9.根據權利要求1所述的基於幾何關係漸進迭代的圓股鋼絲繩及鋼纜設計方法，其特徵在於所述間隙求解是分別取相鄰鋼繩、鋼股或鋼絲之間可能出現最短距離的區間C1、C2的離散點集合n1、n2，通過計算不同集合中各點之間的最短距離計算鋼繩、鋼股或鋼絲之間的最短距離。
10.根據權利要求1所述的基於幾何關係漸進迭代的圓股鋼絲繩及鋼纜設計方法，其特徵在於所述位置關係判斷是繩、股或絲之間位置關係，可以表述為相鄰鋼繩、鋼股或鋼絲之間的相離、相切、相交三種關係；如果設相鄰繩、股或絲間的最短距離為Cmin，則將各種位置關係下的相鄰鋼繩、鋼股或絲間最短距離定義為
(1)鋼繩、股或鋼絲相交時，Cmin＜ε1；
(2)鋼繩、股或鋼絲相切時，ε1＜Cmin＜ε2；
(3)鋼繩、股或鋼絲相離時，Cmin＞ε2；
其中，ε1、ε2表示一個較小的正數，且ε2＞ε1。
全文摘要
一種基於幾何關係漸進迭代的圓股鋼絲繩及鋼纜設計方法，屬於鋼絲繩產品設計技術領域。該方法基於鋼絲繩間隙設計理念，採用數值模擬仿真方法，以漸進迭代、逐步趨近的方式進行設計計算。具體包括給定鋼絲繩/鋼纜的公稱直徑及其增量要求、鋼絲繩/鋼纜的結構、捻距倍數、間隙及其誤差要求，在保證各層股和鋼絲相互結構關係約束的條件下，計算各層股的配絲狀況、捻制參數，通過調整配絲方案並進行校驗計算，使設計結果能更好的符合實際生產和產品性能要求。其優化設計計算包括正向設計計算和反向圓整校驗計算兩部分，這兩部分反覆配合使用，即在正向計算後，一次或多次進行反向圓整校驗計算，得到產品配絲方案。
文檔編號D07B1/06GK101113572SQ20071001236
公開日2008年1月30日 申請日期2007年8月2日 優先權日2007年8月2日
發明者龐哈利, 杜素忠 申請人:龐哈利