钢索是许多工程现场的关键部件,其在使用过程中会容易发生疲劳、磨损甚至断裂等现象,从而导致工程事故,因此有必要使用科学合理的钢索寿命预估模型对钢索的承载能力、安全系数等进行预先评估;同时由于其自身结构复杂,工况的不确定性以及工作环境的恶劣,影响钢索使用寿命的因素也非常多,单纯从理论分析难以得到满意的结果,因此,为确保钢索安全、可靠、高效地工作,对其疲劳状况采用理论分析与试验相结合的研究方法具有重要的理论价值和实际意义。本文以6×31SW+FC钢索为研究对象,分析了钢索疲劳试验台和钢索寿命评估理论研究的必要性,回顾了钢索疲劳试验台、钢索动力学及钢索寿命评估理论的研究现状,设计了适合重载荷工况的钢索疲劳试验台,并在此基础上对钢索寿命评估理论进行了深入的研究。首先,根据钢索的结构和其工作环境等特点,制定了钢索疲劳试验台的总体方案,对张紧和驱动等关键部件进行了详细结构设计及三维建模,并基于ANSYS对其结构进行了有限元分析。分析结果表明,该钢索疲劳试验台的刚度和强度在给定工况下是满足要求的。另外,通过对试验台的工况分析及计算,确定了液压系统的主要技术参数,在此基础上进行了液压系统原理设计。其次,对钢索的动力学及力学模型进行了研究。将钢索疲劳试验台的受力关系简化为两自由度动力学模型,根据第二类拉格朗日动力学方法建立钢索动力学方程,以此对试验工况下的钢索拉力随位置变化的关系式进行了推导。基于Costello的钢丝绳弹性理论建立了钢丝力学平衡方程,对钢丝的受力状态进行分析,在此基础上,建立了直线段和弯曲段的一次螺旋及二次螺旋钢丝力学模型,为钢索疲劳寿命估算奠定基础。然后,基于坐标变换原理建立了钢索直线段和弯曲段的一次螺旋、二次螺旋空间曲线方程,并运用UG对钢索进行实体建模。应用Matlab对钢索空间曲线的曲率和挠率进行了拟合,得到了钢丝绳一次螺旋和二次螺旋的曲率、挠率方程。基于ANSYS分别对直线段和弯曲段的钢索进行了有限元分析,将有限元仿真结果与钢索力学模型计算结果进行比较,进而验证了钢索力学模型的正确性。最后,基于应力场强法对钢索疲劳寿命进行了估算。根据钢索有限元分析结果,确定了钢索断裂的危险部位,并结合钢索力学模型建立了钢索疲劳危险部位的拉伸、弯矩、扭矩载荷谱,在此基础上,根据线性疲劳累积损伤理论对钢索疲劳寿命进行计算,并将理论结果与试验数据进行对比分析。结果表明:对于6×31SW+FC型钢索而言,90t试验载荷为钢索高周疲劳和低周疲劳的载荷临界点,在高周疲劳区和低周疲劳区,基于应力场强法对钢索疲劳寿命的预测结果与试验结果均比较接近,进而证明了基于应力场强法对钢索疲劳寿命进行估算的可行性。本文设计的大直径钢索重载工况下的疲劳试验台为疲劳试验样机的研制提供了参考依据,同时为钢索疲劳试验提供了测试平台,另外,基于应力场强法的钢索疲劳寿命预测能有效的计算钢索的使用寿命,进而为钢索的安全使用提供了理论指导。