【摘要】：基于獨(dú)特的空間螺旋特征,繩纜結(jié)構(gòu)相較單一股線具有高的彈性模量和優(yōu)異的抗拉強(qiáng)度,在日常生產(chǎn)生活中應(yīng)用非常廣泛,在一些新型智能結(jié)構(gòu)與能源裝置中也有重要的應(yīng)用。如采用多股高分子材料絞纜而成的人工肌肉,因其結(jié)構(gòu)輕盈、無應(yīng)力滯后、能量密度高等特征成為現(xiàn)代智能結(jié)構(gòu)研究的重要方向之一。另外,對(duì)于國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)這種新能源裝置,其所希冀的是通過管內(nèi)電纜導(dǎo)體(CICC)繞制而成的超導(dǎo)磁體產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)來約束高溫等離子體的運(yùn)動(dòng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可控的熱核聚變。因此,CICC導(dǎo)體的力學(xué)行為直接決定了該大型裝置的安全性和功能性設(shè)計(jì)。通常CICC導(dǎo)體是由近千根超導(dǎo)股線經(jīng)4至5級(jí)絞纜,其中直徑相同的2根超導(dǎo)股線和1根純銅股線絞纜形成一級(jí)纜,之后3根一級(jí)纜再絞纜形成二級(jí)纜,依次類推,最終形成具有復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的螺旋狀繩纜結(jié)構(gòu)。這樣一級(jí)絞纜結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為分析成為了這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)力學(xué)行為預(yù)測(cè)的前提和基礎(chǔ)。此外,在絞纜制備過程或運(yùn)行工況下相互接觸的股線會(huì)擠壓產(chǎn)生大量的接觸變形,而這種接觸變形對(duì)股線力學(xué)行為的研究截至目前尚未見報(bào)道。本碩士學(xué)位論文以一級(jí)纜力學(xué)行為實(shí)驗(yàn)研究為主體,重點(diǎn)考慮一級(jí)纜結(jié)構(gòu)的等效楊氏模量實(shí)驗(yàn)與理論預(yù)測(cè),并實(shí)驗(yàn)研究了拉伸載荷作用下一級(jí)纜結(jié)構(gòu)的退扭行為及接觸變形對(duì)股線單元力學(xué)性能的影響,所開展的主要工作如下:首先,針對(duì)一級(jí)纜結(jié)構(gòu)等效楊氏模量開展了實(shí)驗(yàn)和理論建模研究。在完成一級(jí)纜結(jié)構(gòu)制備的基礎(chǔ)上,通過循環(huán)加載方式消除線間空隙,得到了該結(jié)構(gòu)的等效楊氏模量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:隨著初始螺旋角的減小,等效楊氏模量隨之減小。接著,將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)典的Costello理論進(jìn)行對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)由于扭轉(zhuǎn)殘余應(yīng)力的存在,Costello理論值與實(shí)驗(yàn)值之間存在較大誤差。本論文先給出不同直徑的一級(jí)纜結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)殘余應(yīng)變與初始螺旋角之間滿足的統(tǒng)一線性關(guān)系表達(dá)式,再結(jié)合Costello理論模型建立了新的修正模型,其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果定性定量吻合良好。其次,對(duì)一級(jí)纜結(jié)構(gòu)在拉伸過程中的退扭行為開展了實(shí)驗(yàn)研究。自主設(shè)計(jì)并完成了一級(jí)纜結(jié)構(gòu)拉伸過程中退扭行為的實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái),通過該測(cè)試平臺(tái)對(duì)六繞一鋼絞線結(jié)構(gòu)以及一級(jí)銅絞線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量,分析了單位長度退扭角與軸向拉力之間的關(guān)系;同時(shí)完成了相同直徑,不同初始螺旋角對(duì)拉伸過程中一級(jí)纜結(jié)構(gòu)退扭行為的影響測(cè)量。最后,開展了預(yù)制接觸變形(壓痕)對(duì)股線單元的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響實(shí)驗(yàn)研究。為避免電子萬能試驗(yàn)機(jī)的夾頭對(duì)股線試樣產(chǎn)生損傷,自主設(shè)計(jì)并制作了配套夾具,保證了股線單元應(yīng)力-應(yīng)變曲線測(cè)量的準(zhǔn)確度。隨后,對(duì)含有壓痕的Nb_3Sn超導(dǎo)股線以及T2紫銅線應(yīng)力-應(yīng)變曲線開展實(shí)驗(yàn)測(cè)量,重點(diǎn)考慮了壓痕深度和壓痕個(gè)數(shù)對(duì)其影響。結(jié)果表明:隨著壓痕深度的增加,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線的塑性區(qū)長度逐漸減小;當(dāng)壓痕深度達(dá)到某一臨界值后,材料的塑性區(qū)消失,斷裂應(yīng)力逐漸降低。當(dāng)壓痕深度相同時(shí),隨著壓痕個(gè)數(shù)的增加,斷裂應(yīng)力幾乎保持不變,而塑性區(qū)長度隨之增加。
【圖文】：

(a)d/sinα(c)圖 1.2 三絞線結(jié)構(gòu)基本參數(shù)示意圖1.1.2 絞纜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用在常見的實(shí)際應(yīng)用中，絞纜結(jié)構(gòu)常常體現(xiàn)出良好的抗拉強(qiáng)度。很多年以前，麻繩就被人們制作并用來捆綁東西。同時(shí)，在鋼絲繩未出現(xiàn)之前，麻繩也一直被用來拉拽和牽引。而鋼絲繩的出現(xiàn)，由于其具有韌性大、撓性好等優(yōu)點(diǎn)，使絞纜結(jié)構(gòu)的用途得到了進(jìn)一步拓展。如：（1）大橋的斜拉索，不僅能夠使大橋的外觀得到美化，更重要的是能夠增加橋體的穩(wěn)定性；（2）隨著科技的發(fā)展，能源開發(fā)正逐步從大陸轉(zhuǎn)向海洋，深海油氣已經(jīng)成為各國必爭的戰(zhàn)略資源，為使海洋勘探平臺(tái)能夠長時(shí)間保持在海面上某一特定位置，必須在平臺(tái)上裝備系泊系統(tǒng)，而絞纜結(jié)構(gòu)則是該系統(tǒng)最主要的組成部分，如圖 1.3（a）。伴隨著工藝技術(shù)的進(jìn)步和工程條件的提升，在某些領(lǐng)域，傳統(tǒng)的鋼絲繩也已經(jīng)不能滿足相應(yīng)的要求了。此時(shí)，，質(zhì)量輕、耐高溫、高比強(qiáng)度、高比模量的復(fù)合材料絞纜結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。例如：碳纖維復(fù)合絞纜結(jié)構(gòu)，如圖 1.3（b）。

州大學(xué)碩士學(xué)位論文 一級(jí)絞纜結(jié)構(gòu)力學(xué)行為實(shí)驗(yàn)研究在新興領(lǐng)域方面，絞纜結(jié)構(gòu)也扮演著重要的角色。近十年來，由于新材料的現(xiàn)，人工肌肉的研發(fā)方興未艾。既可以用于制作生物型機(jī)器人，輔助抗震救災(zāi)作；也可以用于制造微型電動(dòng)機(jī)，替代傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置；還可以制作義肢，幫殘疾人正常行走，還有可自主調(diào)節(jié)的衣服、根據(jù)室內(nèi)濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)的百葉窗等是依靠人工肌肉得以實(shí)現(xiàn)。近幾年，絞扭纖維人工肌肉取得了重要的突破，aines[17]等人將魚線和縫紉線絞制成螺旋型人工肌肉，如圖 1.4（a），這些人工肉在加熱的情況下可以提供超 30%的拉伸沖程，并且經(jīng)歷上千次循環(huán)試驗(yàn)，性仍未下降。自此基于絞纜結(jié)構(gòu)的人工肌肉引起了大批學(xué)者的關(guān)注。此外，絞線構(gòu)與柔性材料相結(jié)合可以很好的解決柔性電池需要承受彎曲和扭轉(zhuǎn)這一難題柔性電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新的可能，如圖 1.4（b）。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O342

【參考文獻(xiàn)】

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1 武松濤;吳維越;潘引年;陳文革;畢延芳;陳灼民;陳思躍;郁杰;吳杰峰;衛(wèi)靖;武玉;翁佩德;高大明;;EAST超導(dǎo)托卡馬克裝置中的大型超導(dǎo)磁體技術(shù)[J];低溫物理學(xué)報(bào);2005年S1期

2 趙君煜;國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃[J];物理;2004年04期

本文編號(hào)：2650369