一种振动环境下编织式液压胶管钢丝层级间应力分布计算方法与流程

本发明涉及一种振动环境下编织式液压胶管钢丝层级间应力分布的计算方法。
背景技术：
：液压胶管因其较好的承压性能、弯曲性能以及较高的材料利用率，在全断面硬岩掘进机(tbm)液压系统中是不可或缺的一类元件，其性能的优劣直接影响整个液压系统的性能，甚至决定系统是否能够正常运行。在tbm掘进过程中，作为易损件且长期处于振动环境下，液压胶管所受到的应力不断变化，钢丝层级间的应力也不相同，因此须清楚液压胶管钢丝层在振动环境下的应力分布情况。针对以往编织式液压胶管求解钢丝层应力是在缠绕式液压胶管的基础上乘以一个系数k的不足，本计算方法求解更加精确。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种振动环境下编织式液压胶管钢丝层级间应力分布的计算方法，主要针对各类复杂的振动环境下对编织式液压胶管的钢丝层级间应力分布，然后得到特定振动条件下合适的液压胶管。本发明是通过以下技术方案来实现的：(1)根据编织式液压胶管的结构形式，将液压胶管转化成复合材料层合板模型，基于经典层合板理论建立编织式液压胶管数学模型，该模型考虑了振动及胶管油压对液压胶管造成的影响，通过钢丝层最大主应力σmax来实现。振动环境下编织式液压胶管钢丝编织层的单元体几何结构参数如下：θ为编织角；编织带一和编织带二的横截面结构相同，tb为编织带横截面的厚度，a为编织带横截面的宽度；v、h分别为钢丝编织的长度，高度；h为单元体的高度；编织带一和编织带二在局部坐标系下的高度为式中：-编织带一在局部坐标系的高度；-编织带二在局部坐标系的高度；x1,y1-编织带一在局部坐标系的xy平面的坐标；x2,y2-编织带二在局部坐标系的xy平面的坐标；为了方便单元体刚度的计算，将编织带一沿着全局坐标y方向，编织带二与y方向呈2θ角；单元体沿着y方向被离散成n片，每一片又被划分成n小段，单元体被离散成n2个微元体计算单元体的工程弹性常数；基于经典层合板理论计算单元体刚度，每个单元体由钢丝和橡胶组成，材料主方向与全局坐标方向不一致，为了得到单元体应力—应变关系对式(3)进行坐标转换；式中：m1＝cos2θ、n1＝sin2θ；e1、ν12为钢丝材料的弹性模量和泊松比；e2、ν21为钢丝材料的弹性模量和泊松比；g12为剪切弹性模量；ex为纤维材料方向的弹性模量；ey为垂直纤维方向的弹性模量；vxy为泊松比；gxy为剪切弹性模量；单元体中编织带一和编织带二的刚度矩阵为橡胶为各向同性材料，对坐标转换没有影响，第q片中的第p个微元体的刚度计算为式中：k＝1,4为橡胶层的编号，k＝2,3分别为微元体中编织带一和编织带二的编号；xp,q,、yp,q为微元体在xy平面上的坐标；△z为微元体高度差；单元体承受管路内压，假设单元体处于等应力状态，所有单元体处于等应变状态，则式中：为微元体的刚度；为单元体第q片的刚度，q＝1,…,n；aruc为单元体的刚度；单元体工程弹性常数等同于正交各向异性层合板；式中：h为单元体高度；为单元体刚度，i＝1,2,6，j＝1,2,6；单元体沿逆时针方向旋转θ角即可得到两纤维束与y轴呈θ角，将m2＝cosθ、n2＝sinθ代入式(3)即可得到单元体的工程弹性常数；振动及油压下胶管的受力方程式中：nx-胶管所受轴向力，nny-胶管所受径向力，nmx-胶管所受轴向力矩，n·mmy-胶管所受径向力矩，n·mp-管路内压，pad-管路直径，mml-胶管管长，mmb-振动幅值，mmω-振动角速度，rad/sm3-胶管质量，kgd-钢丝橡胶复合层中心到胶管几何中心的距离，mm层合板内力与应变关系矩阵：式中：nx、ny-分别为层合板偏轴σx、σy合成轴力，单位为牛nxy-为层合板偏轴τxy合成剪力，单位为牛arq-面内刚度系数，r＝1,2,6；q＝1,2,6brq-为耦合刚度系数，r＝1,2,6；q＝1,2,6drq-为弯曲刚度系数，r＝1,2,6；q＝1,2,6k-中面曲率层合板偏轴坐标系下应力应变转化关系：式中：[σ]-偏轴应力矩阵，pa[ε]-偏轴应变矩阵-偏轴模量，pa胶管钢丝层的最大主应力计算：式中：σx、σy表示层合板偏轴正应力，单位为paτxy表示层合板偏轴切应力，单位为pa(2)建立振动环境下液压胶管仿真模型，输入振动参数为简谐振动振幅和频率以及油压，对振动环境下液压胶管钢丝层进行动态特性仿真，获得钢丝层最大主应力的动态特性曲线，计算各钢丝层在不同振动参数下的最大主应力分布。根据胶管钢丝层动态特性曲线得到胶管发生疲劳破坏的临界条件，确认该胶管是否能满足该振动环境下的工况要求，若胶管钢丝层的动态特性满足工况要求则直接选用。(3)通过化整为零的方法得到编织式液压胶管钢丝层工程弹性常数，求解钢丝层应力的方法，比直接在缠绕式液压胶管的基础上乘以一个系数k的方法，求解结果精确了15％，计算结果更加准确。附图说明图1为振动环境下编织式液压胶管钢丝编织层结构图；图2为振动环境下编织式液压胶管钢丝层微元体结构组成。具体实施方式下面结合具体图示，进一步阐述本发明。某型号的液压胶管结构参数如表1所示。表1某液压胶管主要结构参数表参数数值胶管总长1500mm钢丝层数2胶管内径13mm胶管外径23mm钢丝层直径0.6mm参看图1，1-正轴1方向，2-正轴2方向，3-编织带一，4-编织带二，5-编织角θ，6-钢丝编织的长度v，7-钢丝编织的高度h，8-编织带1，2的厚度tb，9-编织带一和编织带二的宽度a，进行液压胶管钢丝层级间应力计算时，先将液压胶管转化成复合材料层合板模型，正轴1方向为纤维方向，正轴2方向为垂直纤维方向。若液压胶管所受振动为简谐振动，振幅为0.05m，频率为25hz，油压为12×106pa，其中p＝12×106、b＝0.05、ω＝50π。将上述参数代入公式建立仿真模型图2，3-编织带一，4-编织带二，10-橡胶层，振动条件对液压胶管钢丝层的影响因素振动幅值b和振动频率f，及油压p设置为独立参数，根据需要的振动条件进行修改，设置振动载荷为振幅b＝0.05m、频率f＝20hz、在胶管的内胶层施加p＝12×106pa油压，整个载荷历程时间为0.08s，为两个振动周期，运行仿真结果后，得到液压胶管钢丝层最大主应力分布的动态特性图。当前第1页12