Mechanical behaviour of wire ropes and polymeric yarns

The present work examines the mechanical behaviour of twisted cables, such as single steel strands and polymeric rayon cords. Costello's theory constitutes an important reference for wire ropes but turns out to be unsuitable if applied to twisted textile materials. Elastic full 3D FE models of single strands with increasing lay angle have been compared with Costello's analytical solutions. Friction minimally influenced longitudinal stiffness and had a negligible effect on the overall axial response. Furthermore, elastic-plastic FE analyses were performed to investigate the post-elastic behaviour of each model. Focusing locally on the contact stresses between the wires, a comparison is proposed between the Hertzian theory and the numerical results of FE models. Experimental tensile tests on single and multi-ply rayon yarns, employed in the construction of high-performance pneumatic tire, were considered. If applied to such twisted cords, Costello’s theory turns out to be unsuitable. A different approach has been followed which examined the problem at a micro-scale: different attempts were made to predict the mechanical response of 2- and 3-ply rayon cords experimental tensile curves through a simplified geometric-experimental model, developed by Sibellas et al. Subsequently, also FE analyses with different sectional geometries inspired to literature observations by X-ray microcomputed tomography, were performed on rayon cord models to have a further numerical feedback regarding the overall response and local stress of these twisted cords.

Il presente lavoro esamina il comportamento meccanico dei cavi intrecciati, come i trefoli in acciaio e i cords polimerici. La teoria di Costello costituisce un riferimento importante per le funi metalliche, ma risulta inadatta se applicata a materiali tessili ritorti. Alcuni modelli tridimensionali a elementi finiti di singoli trefoli con angolo di giacitura crescente sono stati confrontati con le soluzioni analitiche di Costello. L'attrito ha influenzato minimamente la rigidezza longitudinale e ha avuto un effetto trascurabile sulla risposta globale assiale. Inoltre, sono state eseguite analisi a elementi finiti elastoplastiche per indagare il comportamento post-elastico di ciascun modello. Approfondendo localmente il tema delle pressioni di contatto tra i cavi, viene proposto un confronto tra la teoria Hertziana e i risultati numerici dei modelli a elementi finiti. Sono state poi analizzate alcune prove sperimentali di trazione su filati di rayon mono e multi-capo, impiegati nella costruzione di pneumatici ad alte prestazioni. Se applicata a tali cords in rayon, la teoria di Costello si rivela essere inadatta. È stato seguito un approccio diverso esaminando il problema su micro-scala: sono stati fatti diversi tentativi per prevedere la risposta meccanica delle curve di trazione sperimentali di cords in rayon a 2 e 3 capi attraverso un modello geometrico-sperimentale semplificato, sviluppato da Sibellas et al. Successivamente, per gli stessi filati in rayon, sono state eseguite anche analisi a elementi finiti con diverse geometrie sezionali ispirate a immagini presenti in letteratura su materiali simili, ricavate mediante tomografia micro-computerizzata a raggi X per avere un ulteriore riscontro numerico circa la risposta globale e locale di questi cords ritorti.