In this paper, a method for the effective modeling of helically stranded cables for which multiple beam finite elements (FE) are used is presented, and a design procedure for the torque balance of the cables using the beam FE model is proposed. Regarding the beam modeling, the wire-to-wire contacts and the elastoplastic material behavior are considered. The proposed beam model is advantageous because the accuracy of the corresponding numerical results is as good as that of the full solid model, while the computational cost is significantly reduced. Using the beam FE model, the mechanical behavior of helically stranded cables is analyzed under axial and transverse loadings. The numerical results are compared with those of full solid FE models and available experimental results, where accuracy and computational cost are investigated. This paper also proposes a practical procedure for torque balance design of helically stranded cables using the proposed beam FE model. Furthermore, the proposed design procedure is verified by experimental tests and the generalized torque balance curves are proposed using dimensionless parameter.
스트랜드 케이블(Helically stranded cable)의 기계적 거동을 정확히 해석하기 위한 다중 보 유한요소 모델을 제안하고, 이를 이용한 케이블의 최적 회전 균형 설계 방법(procedure of torque balance design)을 제시하였다. 보 유한요소해석 모델은 각 와이어간의 접촉 거동 및 탄소성 재료 거동을 잘 구현할 수 있도록 구성하였으며, 본 논문에서 제안한 보 유한요소 모델에 대해 케이블의 축 하중 및 굽힘 하중시의 기계적 거동을 해석하고 이론 및 실험, 타 유한요소 모델들과 그 정확성과 효율성을 비교하였다. 보 유한요소 모델은 케이블 전체 거동을 정확히 해석하면서도 효율성이 뛰어났다. 보 유한요소 모델을 이용하여 케이블 해석을 위한 이론 모델에 대한 강성 계수의 분석 및 적용성을 평가하였으며, 서브루틴(Subroutine) 프로그램을 이용하여 유한요소해석 모델의 마찰 거동을 구현한 후 이에 대해 평가하고 가장 효율적 모델을 제안하였다. 다중 보 요소를 이용한 스트랜드 케이블의 회전 균형 설계 방법을 제안하고, 실험을 통해 제안된 설계 방법을 검증하였으며, 무차원 계수의 도입을 통해 초기 케이블 설계 단계에서 쉽게 적용 가능한 회전 균형 곡선을 제시하였다.
