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鋼絲繩芯輸送帶是由橡膠和鋼絲繩兩類材料構成,具有較為特殊的力學性能,橡膠是超彈性不可壓縮材料,而鋼絲繩沿其軸向又能夠承受較大的拉伸載荷。在對這種情況進行有限元模擬分析時,不得不涉及到復雜的橡膠-簾線幾何構形和材料分布(如輪胎),同時要考慮到大變形、粘彈性問題,橡膠基體不可壓縮性和超彈性,和接觸情況的邊界條件復雜性等多重非線性稱合分析。通常在分析這類單層復合材料時,有限元模型主要有以下三種方式:分離式、整體式和組合式。若釆用分離式建模,模型可以把橡膠和鋼絲繩作為不同的三維單元來處理,即橡膠和鋼絲繩各自被劃分為足夠小的三維單元,按照橡膠和鋼絲繩不同的結構性能和材料力學性能,選擇不同的單元形式,其材料性能類似于正交各向異性材料。橡膠單元的剛度矩陣為,鋼絲繩單元的剛度矩陣為,有限元計算時集成二者的剛度矩陣,形成統一的剛度矩陣。這樣建立的有限元模型最為貼近現實,可以單獨分析出分析出橡膠基體和鋼絲繩的失效情況,其缺點是被劃分的單元數量較大,計算量較大,耗時較大。若采用整體式建模,模型不再對不同材料進行定義,但是仍有這兩種材料對整體剛度矩陣的貢獻,模型無需分別計算著兩種材料的單元剛度矩陣,而是將鋼絲繩轉化為等效的橡膠基體,然后只需按照一種材料計算整體的單元剛度。這一類建模方式結構簡單,單元劃分數量少,計算量少。但這種方式的確點也較明顯,不能分析出橡膠基體和鋼絲繩的失效情況,只能求出兩者混合后的平均應力,不能分析兩者材料各自節點的應力在沖擊下的變化情況。若釆用組合式建模,通常任然包含這兩種材料,但建模時更傾向于使用基于板殼理論的層合板模型,輸送帶多采用殼單元,并沿殼單元沿厚度方向設置多個積分點,而每個積分點表示相應的一層單層板,將鋼絲繩按照鋪層作為單獨一層分布在輸送帶中心層,其余各層則附上橡膠材料特性,并借用一般復合材料的失效準則來分析鋼絲繩輸送帶。這樣建立的模型比分離式建模所劃分的節點較少,同時橡膠和鋼絲繩的材料特性均有所體現,但是卻不能較好的反映輸送帶撕裂特征,且殼單元不能夠準確地計算出單元厚度方向的應力分別,特別是不能反映輸送帶間隙的橡膠沿鋼絲繩軸向方向失效的情況。綜合考慮本文選用分離式建模的方式對鋼絲繩芯輸送帶進行數值模擬。
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