本發(fā)明涉及一種振動環(huán)境下編織式液壓膠管鋼絲層級間應(yīng)力分布的計算方法。
背景技術(shù)：
：液壓膠管因其較好的承壓性能、彎曲性能以及較高的材料利用率，在全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)(tbm)液壓系統(tǒng)中是不可或缺的一類元件，其性能的優(yōu)劣直接影響整個液壓系統(tǒng)的性能，甚至決定系統(tǒng)是否能夠正常運(yùn)行。在tbm掘進(jìn)過程中，作為易損件且長期處于振動環(huán)境下，液壓膠管所受到的應(yīng)力不斷變化，鋼絲層級間的應(yīng)力也不相同，因此須清楚液壓膠管鋼絲層在振動環(huán)境下的應(yīng)力分布情況。針對以往編織式液壓膠管求解鋼絲層應(yīng)力是在纏繞式液壓膠管的基礎(chǔ)上乘以一個系數(shù)k的不足，本計算方法求解更加精確。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種振動環(huán)境下編織式液壓膠管鋼絲層級間應(yīng)力分布的計算方法，主要針對各類復(fù)雜的振動環(huán)境下對編織式液壓膠管的鋼絲層級間應(yīng)力分布，然后得到特定振動條件下合適的液壓膠管。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：(1)根據(jù)編織式液壓膠管的結(jié)構(gòu)形式，將液壓膠管轉(zhuǎn)化成復(fù)合材料層合板模型，基于經(jīng)典層合板理論建立編織式液壓膠管數(shù)學(xué)模型，該模型考慮了振動及膠管油壓對液壓膠管造成的影響，通過鋼絲層最大主應(yīng)力σmax來實(shí)現(xiàn)。振動環(huán)境下編織式液壓膠管鋼絲編織層的單元體幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：θ為編織角；編織帶一和編織帶二的橫截面結(jié)構(gòu)相同，tb為編織帶橫截面的厚度，a為編織帶橫截面的寬度；v、h分別為鋼絲編織的長度，高度；h為單元體的高度；編織帶一和編織帶二在局部坐標(biāo)系下的高度為式中：-編織帶一在局部坐標(biāo)系的高度；-編織帶二在局部坐標(biāo)系的高度；x1,y1-編織帶一在局部坐標(biāo)系的xy平面的坐標(biāo)；x2,y2-編織帶二在局部坐標(biāo)系的xy平面的坐標(biāo)；為了方便單元體剛度的計算，將編織帶一沿著全局坐標(biāo)y方向，編織帶二與y方向呈2θ角；單元體沿著y方向被離散成n片，每一片又被劃分成n小段，單元體被離散成n2個微元體計算單元體的工程彈性常數(shù)；基于經(jīng)典層合板理論計算單元體剛度，每個單元體由鋼絲和橡膠組成，材料主方向與全局坐標(biāo)方向不一致，為了得到單元體應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系對式(3)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；式中：m1＝cos2θ、n1＝sin2θ；e1、ν12為鋼絲材料的彈性模量和泊松比；e2、ν21為鋼絲材料的彈性模量和泊松比；g12為剪切彈性模量；ex為纖維材料方向的彈性模量；ey為垂直纖維方向的彈性模量；vxy為泊松比；gxy為剪切彈性模量；單元體中編織帶一和編織帶二的剛度矩陣為橡膠為各向同性材料，對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換沒有影響，第q片中的第p個微元體的剛度計算為式中：k＝1,4為橡膠層的編號，k＝2,3分別為微元體中編織帶一和編織帶二的編號；xp,q,、yp,q為微元體在xy平面上的坐標(biāo)；△z為微元體高度差；單元體承受管路內(nèi)壓，假設(shè)單元體處于等應(yīng)力狀態(tài)，所有單元體處于等應(yīng)變狀態(tài)，則式中：為微元體的剛度；為單元體第q片的剛度，q＝1,…,n；aruc為單元體的剛度；單元體工程彈性常數(shù)等同于正交各向異性層合板；式中：h為單元體高度；為單元體剛度，i＝1,2,6，j＝1,2,6；單元體沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)θ角即可得到兩纖維束與y軸呈θ角，將m2＝cosθ、n2＝sinθ代入式(3)即可得到單元體的工程彈性常數(shù)；振動及油壓下膠管的受力方程式中：nx-膠管所受軸向力，nny-膠管所受徑向力，nmx-膠管所受軸向力矩，n·mmy-膠管所受徑向力矩，n·mp-管路內(nèi)壓，pad-管路直徑，mml-膠管管長，mmb-振動幅值，mmω-振動角速度，rad/sm3-膠管質(zhì)量，kgd-鋼絲橡膠復(fù)合層中心到膠管幾何中心的距離，mm層合板內(nèi)力與應(yīng)變關(guān)系矩陣：式中：nx、ny-分別為層合板偏軸σx、σy合成軸力，單位為牛nxy-為層合板偏軸τxy合成剪力，單位為牛arq-面內(nèi)剛度系數(shù)，r＝1,2,6；q＝1,2,6brq-為耦合剛度系數(shù)，r＝1,2,6；q＝1,2,6drq-為彎曲剛度系數(shù)，r＝1,2,6；q＝1,2,6k-中面曲率層合板偏軸坐標(biāo)系下應(yīng)力應(yīng)變轉(zhuǎn)化關(guān)系：式中：[σ]-偏軸應(yīng)力矩陣，pa[ε]-偏軸應(yīng)變矩陣-偏軸模量，pa膠管鋼絲層的最大主應(yīng)力計算：式中：σx、σy表示層合板偏軸正應(yīng)力，單位為paτxy表示層合板偏軸切應(yīng)力，單位為pa(2)建立振動環(huán)境下液壓膠管仿真模型，輸入振動參數(shù)為簡諧振動振幅和頻率以及油壓，對振動環(huán)境下液壓膠管鋼絲層進(jìn)行動態(tài)特性仿真，獲得鋼絲層最大主應(yīng)力的動態(tài)特性曲線，計算各鋼絲層在不同振動參數(shù)下的最大主應(yīng)力分布。根據(jù)膠管鋼絲層動態(tài)特性曲線得到膠管發(fā)生疲勞破壞的臨界條件，確認(rèn)該膠管是否能滿足該振動環(huán)境下的工況要求，若膠管鋼絲層的動態(tài)特性滿足工況要求則直接選用。(3)通過化整為零的方法得到編織式液壓膠管鋼絲層工程彈性常數(shù)，求解鋼絲層應(yīng)力的方法，比直接在纏繞式液壓膠管的基礎(chǔ)上乘以一個系數(shù)k的方法，求解結(jié)果精確了15％，計算結(jié)果更加準(zhǔn)確。附圖說明圖1為振動環(huán)境下編織式液壓膠管鋼絲編織層結(jié)構(gòu)圖；圖2為振動環(huán)境下編織式液壓膠管鋼絲層微元體結(jié)構(gòu)組成。具體實(shí)施方式下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。某型號的液壓膠管結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。表1某液壓膠管主要結(jié)構(gòu)參數(shù)表參數(shù)數(shù)值膠管總長1500mm鋼絲層數(shù)2膠管內(nèi)徑13mm膠管外徑23mm鋼絲層直徑0.6mm參看圖1，1-正軸1方向，2-正軸2方向，3-編織帶一，4-編織帶二，5-編織角θ，6-鋼絲編織的長度v，7-鋼絲編織的高度h，8-編織帶1，2的厚度tb，9-編織帶一和編織帶二的寬度a，進(jìn)行液壓膠管鋼絲層級間應(yīng)力計算時，先將液壓膠管轉(zhuǎn)化成復(fù)合材料層合板模型，正軸1方向?yàn)槔w維方向，正軸2方向?yàn)榇怪崩w維方向。若液壓膠管所受振動為簡諧振動，振幅為0.05m，頻率為25hz，油壓為12×106pa，其中p＝12×106、b＝0.05、ω＝50π。將上述參數(shù)代入公式建立仿真模型圖2，3-編織帶一，4-編織帶二，10-橡膠層，振動條件對液壓膠管鋼絲層的影響因素振動幅值b和振動頻率f，及油壓p設(shè)置為獨(dú)立參數(shù)，根據(jù)需要的振動條件進(jìn)行修改，設(shè)置振動載荷為振幅b＝0.05m、頻率f＝20hz、在膠管的內(nèi)膠層施加p＝12×106pa油壓，整個載荷歷程時間為0.08s，為兩個振動周期，運(yùn)行仿真結(jié)果后，得到液壓膠管鋼絲層最大主應(yīng)力分布的動態(tài)特性圖。當(dāng)前第1頁12