Modellazione ad elementi finiti della risposta assiale torsionale di funi metalliche

In the present work, the bidimensional and tridimensional finite element models of a single layer 6+1 strand and of a spiroidal wire rope, set up with the Abaqus software and developed with the aim to investigate their axial-torsional response at the global (elastic stiffness coefficients of the cross-section of the wire rope) and local level (forces and deformations caused by contact between wires) are presented. This latter aspect is of fundamental importance because contact forces control the mechanism of worn out of a wire rope, thus to be able to compute them quickly and accurately is a relevant step forward in the understanding of these structural elements and their complex behaviour. Tensile tests with prevented torsional rotation at the rope ends are simulated; in detail, the mixed contact condition between wires has been studied (since very few researches in literature focus on this kind of contact condition) by exploiting particularly dense meshes close to the contact points. The obtained results then have been compared with the ones of a recently proposed analityc formulation, which takes into account both the effect of diametrical contraction due to Poisson's effect and the deformation induced by wires in contact (flattening), in order to validate its effectiveness. From the comparison, important differences have been found in the local response while, regarding the global one, a confirm of the validity of the analityc model has been obtained. In particular, a good agreement between the devoleped 2D finite element models and the analitycal model has been observed; on the other hand, the 3D models have shown significant discrepancies in the mechanical behaviour, which lay the foundations for further researches on the mixed contact mechanics between the wires and in general for the redistribution of the contact forces in more complex wire ropes.

Nel presente lavoro sono illustrati i modelli ad elementi finiti bidimensionali e tridimensionali, realizzati con l'ausilio del software Abaqus, di un trefolo a strato singolo 6+1 e di una fune spiroidale, sviluppati con lo scopo di indagare la loro risposta assiale-torsionale a livello globale (coefficienti di rigidezza elastici della sezione della fune) e locale (forze e deformazioni dovute al contatto tra i fili al loro interno). Quest'ultimo aspetto è di fondamentale importanza poiché le forze di contatto controllano il meccanismo di usura delle funi, perciò essere in grado di calcolarle velocemente ed accuratamente costituisce un grande passo in avanti nella comprensione di questi elementi strutturali. Sono state simulate prove di trazione a testa fissa, ovvero con rotazioni torsionali impedite alle estremità; in particolare, è stata studiata la condizione di contatto misto tra i fili all'interno di una fune metallica (dal momento che gli studi presenti in letteratura che si concentrano su questa condizione di contatto sono in numero molto ridotto), tramite l'utilizzo di mesh particolarmente fitte in corrispondenza dei punti di contatto. I risultati ottenuti sono stati confrontati con un modello analitico di recente proposta, che tiene conto sia dell'effetto di contrazione diametrale dovuto all'effetto Poisson che della deformazione indotta dal contatto tra i fili (flattening), al fine di validarne l'efficacia. Dal confronto sono emerse importanti differenze nella risposta locale, mentre una conferma della validità del modello è stata ottenuta per la risposta globale. In particolare, si è osservato un ottimo accordo del modello analitico con i modelli 2D sviluppati; i modelli 3D, d'altro canto, hanno messo in luce alcune rilevanti differenze di comportamento, che pongono basi importanti per ulteriori approfondimenti sulla meccanica del contatto misto ed in generale per la ripartizione delle forze di contatto anche in funi più complesse.