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(沈陽建筑大學(xué)交通與機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168)

壓下量對(duì)鋼筋矯直系統(tǒng)力學(xué)性能的影響分析

鄭夕健，朱禹霏

(沈陽建筑大學(xué)交通與機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168)

0 引言

鋼筋在建筑行業(yè)的工程應(yīng)用非常普遍。鋼筋在軋制、冷卻、運(yùn)輸過程中由于散熱不均、殘余應(yīng)力和外力沖擊等因素影響，會(huì)出現(xiàn)不同程度的彎曲，所以鋼筋在加工使用之前必須對(duì)其進(jìn)行矯直[1]。在矯直鋼筋過程中，壓下量直接決定矯直質(zhì)量的好壞，又影響矯直效率，因此，壓下量對(duì)矯直質(zhì)量的影響一直是人們重點(diǎn)研究的課題[2]。

鋼筋矯直過程中的彎曲變形具有壓下量小、彈塑性變形顯著和載荷分布多樣化等特點(diǎn)，壓下量對(duì)矯直變形的影響一般除矯直力可以被測(cè)量外，變形區(qū)的應(yīng)力、應(yīng)變大小則很難通過實(shí)驗(yàn)或計(jì)算得到，造成了認(rèn)識(shí)矯直機(jī)理、正確掌握矯直變形規(guī)律的困難。

1 矯直系統(tǒng)基本參數(shù)的設(shè)定

1.1 壓下量的設(shè)定

隨著矯直工作的進(jìn)行，鋼筋將與矯直輥逐個(gè)接觸，鋼筋會(huì)受到矯直輥?zhàn)饔?，改變鋼筋原始彎曲曲率，直至殘余曲率符合平直度的要求為止。上排各矯直輥壓下量將直接影響矯直過程中與矯直后鋼筋內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變的變化規(guī)律及分布情況，最終影響矯直后鋼筋的質(zhì)量。GT6-12型號(hào)矯直機(jī)的計(jì)算壓下量值和實(shí)測(cè)壓下量值如表1所示。其中，l=60時(shí)為理論值，l=85時(shí)為實(shí)測(cè)值[3]。

表1 上輥壓下量 mm

鋼筋直徑Φ8Φ10Φ12上輥壓下量δ1#l=60000l=850002#l=601．941．581．34l=853．93．22．63#l=601．71．781．15l=853．42．72．34#l=601．581．291．07l=853．22．52．15#l=601．471．21l=8532．41．86#l=601．2810．86l=852．621．5

1.2 矯直系統(tǒng)基本參數(shù)及鋼筋材料屬性

矯直輥按照上、下平行交錯(cuò)方式進(jìn)行配置，在矯直鋼筋時(shí)，通過上輥下壓對(duì)鋼筋進(jìn)行重復(fù)塑性彎曲以達(dá)到矯直目的。選用直徑為8 mm、10mm、12mm、長(zhǎng)度為1m、牌號(hào)為HRB335，即屈服強(qiáng)度為335 MPa的鋼筋進(jìn)行仿真。矯直系統(tǒng)基本參數(shù)及鋼筋材料屬性如表2所示。

表2 基本數(shù)據(jù)及材料屬性

名稱參數(shù)單位輥徑100mm輥數(shù)(上6下5)11個(gè)輥距60，85mm矯直速度2．88mm/s彈性模量2．03e11Pa鋼筋屈服極限3．35e8Pa鋼筋直徑8～12mm泊松比0．3

2 有限元模型的建立

矯直輥與鋼筋均采用8節(jié)點(diǎn)solid164單元，該單元是一種8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，不需定義實(shí)常數(shù)，只用在動(dòng)力顯示分析中，支持所有許可的非線性特性[4]。solid164單元有2種算法：一是單點(diǎn)積分法，該方法對(duì)大變形問題非常有效，但缺點(diǎn)是有沙漏問題；二是完全積分法，該方法無沙漏問題，但求解慢，若泊松比比較大時(shí)要謹(jǐn)慎使用。

因此，選擇單點(diǎn)積分法，以便節(jié)省時(shí)間，只是需要控制沙漏問題[5]。由于矯直輥工作時(shí)幾乎不變形，所以在有限元建模時(shí)把矯直輥設(shè)為剛性體，這樣可以大大減少顯示分析的計(jì)算時(shí)間，因?yàn)闊o論定義了多少個(gè)節(jié)點(diǎn)，剛性體都只有6個(gè)自由度，剛性體內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的自由度都會(huì)自動(dòng)耦合到剛性體的質(zhì)心上[6]。鋼筋為變形體，選用雙向性隨動(dòng)強(qiáng)化材料模型，該模型可以使用2種斜率(彈性和塑性)來表示材料的應(yīng)力應(yīng)變行為。

由于矯直輥輥型比較復(fù)雜，因此，采用自由網(wǎng)格劃分的方式。因?yàn)檠芯繉?duì)象是鋼筋，所以鋼筋的網(wǎng)格劃分盡量密一些，矯直輥的可以稀疏一些。劃分完成后，每個(gè)矯直輥單元數(shù)為16 000個(gè)，Φ8 mm、Φ10mm、Φ12mm鋼筋單元數(shù)分別為19 456,21952和25 434。

模型中，矯直輥繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，所以除了繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的約束釋放外，其余自由度全部約束。由于鋼筋矯直時(shí)與矯直輥輥槽有接觸，接觸時(shí)矯直力會(huì)使鋼筋表面有微小變形，使鋼筋表面與輥槽面面接觸，所以接觸類型選擇面面接觸，選擇此類型中的自動(dòng)接觸類型，需定義Contact面和Target面[7]。矯直過程中鋼筋會(huì)發(fā)生彈塑性變形，將其定義為Target面，將矯直輥定義為Contact面，輥?zhàn)优c鋼筋之間的靜摩擦系數(shù)取0.3，動(dòng)摩擦系數(shù)取0.2[8]。

創(chuàng)建原始曲率為零的鋼筋進(jìn)行模擬仿真，計(jì)算結(jié)束后，在ANSYS后處理器中直接查看鋼筋在矯直過程中和矯后的應(yīng)力、應(yīng)變特征。

3 有限元仿真分析

3.1 壓下量對(duì)鋼筋應(yīng)力分布的影響

根據(jù)表2設(shè)置的矯直參數(shù)進(jìn)行仿真，得到矯直過程中和矯直后的應(yīng)力等值線圖。其中Φ8鋼筋的應(yīng)力等值線如圖1,圖2所示。

圖1 l=60時(shí)Φ8鋼筋的應(yīng)力等值線

圖2 l=85時(shí)Φ8鋼筋的應(yīng)力等值線

由圖1，圖2可以看出，鋼筋在l=60的壓下量下矯直時(shí)，應(yīng)力主要分布在173～693MPa之間，矯直后應(yīng)力主要分布在150～595 MPa之間；鋼筋在l=85的壓下量下矯直時(shí)，應(yīng)力主要分布在214～856 MPa之間，矯直后應(yīng)力主要分布在232～919 MPa之間。在l=60的壓下量下矯直后，鋼筋的應(yīng)力值要小于矯直時(shí)的應(yīng)力值，而在l=85的情況下恰好相反。同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)無論在矯直時(shí)還是在矯直后，l=60時(shí)的應(yīng)力值都小于l=85時(shí)的應(yīng)力值，應(yīng)力分布也比較均勻。

為了研究不同直徑鋼筋的應(yīng)力變化情況，列出了Φ10,Φ12鋼筋的應(yīng)力等值線，如圖3～圖6所示。

圖3 l=60時(shí)Φ10鋼筋的應(yīng)力等值線

圖4 l=85時(shí)Φ10鋼筋的應(yīng)力等值線

圖5 l=60時(shí)Φ12鋼筋的應(yīng)力等值線

圖6 l=85時(shí)Φ12鋼筋的應(yīng)力等值線

從圖3～圖6可以明顯的看到，粗鋼筋矯直后應(yīng)力值明顯低于細(xì)鋼筋的。同一直徑的鋼筋在l=60的壓下量下矯直時(shí)，應(yīng)力值比l=85時(shí)的應(yīng)力小，且在l=60時(shí)矯直后的應(yīng)力值比矯直過程中的應(yīng)力值有所減小，這一點(diǎn)對(duì)鋼筋的倉儲(chǔ)、運(yùn)輸及后期的使用有重要意義，可以有效避免鋼筋放置后由于內(nèi)部應(yīng)力不平衡而再次變形。通過觀察矯后等值線圖還發(fā)現(xiàn)，同一直徑鋼筋在l=60時(shí)，應(yīng)力值明顯低于l=85的應(yīng)力值，且分布比較均勻，說明理論壓下量的矯直方案更加合理。

3.2 壓下量與彈塑性應(yīng)變的關(guān)系

為研究壓下量與彈塑性應(yīng)變的關(guān)系，以l=60時(shí)的壓下量，對(duì)3種直徑鋼筋兩端面各選取靠近中心的一節(jié)點(diǎn)和應(yīng)力最大處的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行彈塑性變化分析。圖7,圖8為Φ8鋼筋應(yīng)變隨時(shí)間變化的曲線。

圖7 l=60時(shí)Φ8鋼筋所選節(jié)點(diǎn)的彈性應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線

由圖7～圖8可以看出，鋼筋在矯直過程中，所選端面節(jié)點(diǎn)的彈塑性應(yīng)變很小，可以忽略不計(jì)，即中性軸處既不發(fā)生彈性應(yīng)變也不發(fā)生塑性應(yīng)變，說明鋼筋矯直時(shí)中心軸位置不發(fā)生變形，與中性層不變形理論具有一致性，說明應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA軟件對(duì)鋼筋矯直進(jìn)行模擬是可行的。

圖8 l=60時(shí)Φ8鋼筋所選節(jié)點(diǎn)的塑性應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線

由應(yīng)變線圖還可以看出，塑性應(yīng)變隨時(shí)間變化呈現(xiàn)梯形遞增趨勢(shì)，這是因?yàn)槌C直時(shí)，鋼筋發(fā)生塑性變化后，還會(huì)在矯直輥的作用下繼續(xù)被加載及卸載后又重新加載，屈服極限發(fā)生了變化，出現(xiàn)冷作硬化現(xiàn)象，以新的強(qiáng)度進(jìn)入下一矯直區(qū)，進(jìn)而發(fā)生新的塑性變形，直至鋼筋走出矯直區(qū)。鋼筋矯直時(shí)最大應(yīng)變位置靠近表層金屬，過大的塑性變形會(huì)被釋放，所以在l=60時(shí)的壓下量下矯直時(shí)，能夠有效防止鋼筋表面開裂現(xiàn)象發(fā)生。

4 結(jié)束語

通過對(duì)矯直系統(tǒng)有限元模型的仿真分析，可以得到如下結(jié)論：

a.應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA軟件對(duì)鋼筋矯直進(jìn)行有限元?jiǎng)恿W(xué)分析，該方法可以直觀地對(duì)比分析在矯直時(shí)和矯直后鋼筋內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的分布情況及變化規(guī)律。通過分析發(fā)現(xiàn)，矯直時(shí)應(yīng)力主要分布在鋼筋表層位置；彈性應(yīng)變無變化規(guī)律，但塑性應(yīng)變隨著鋼筋前進(jìn)而呈現(xiàn)梯形遞增趨勢(shì)，且彈性應(yīng)變遠(yuǎn)小于塑性應(yīng)變；矯直時(shí)，鋼筋越粗，其應(yīng)力值越小，說明粗鋼筋矯直時(shí)所用矯直力越小，更容易被矯直。

b.Φ8鋼筋在理論壓下量下矯直時(shí)，應(yīng)力主要分布分別在173～693MPa之間，矯直后應(yīng)力主要分布在150～595 MPa之間；在實(shí)測(cè)的壓下量下矯直時(shí)，應(yīng)力主要分布分別在214～856 MPa之間，矯直后應(yīng)力主要分布在232～919 MPa之間，在理論壓下量下矯直后，鋼筋的應(yīng)力值要小于矯直時(shí)的應(yīng)力值，而實(shí)測(cè)壓下量的情況下恰好相反，觀察Φ10、Φ12鋼筋的應(yīng)力等值線圖也符合此現(xiàn)象。無論在矯直時(shí)還是在矯直后，理論壓下量下矯直的鋼筋應(yīng)力值比較小，分布也更加均勻，說明理論壓下量下的矯直方案更加合理。

c.在中性軸附近，彈塑性應(yīng)變?cè)?～4×10-3之間變化，應(yīng)變值很小，可以認(rèn)為中性軸應(yīng)變?yōu)榱?，即中性軸不發(fā)生變形；在應(yīng)力最大結(jié)點(diǎn)處，其塑性應(yīng)變遠(yuǎn)大于彈性應(yīng)變，觀察不同直徑鋼筋塑性應(yīng)變曲線發(fā)現(xiàn)，無論鋼筋粗細(xì)，矯直時(shí)最大塑性應(yīng)變出現(xiàn)在靠近表層位置，過大的塑性變形會(huì)被釋放，在理論壓下量下矯直時(shí)，可以有效防止鋼筋表面發(fā)生開裂現(xiàn)象，能夠滿足對(duì)鋼筋表面質(zhì)量的要求。

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Analysis of the Influence of Rolling Schedule on Mechanical Characteristicsof Straightening System of Steel Bars

ZHENGXijian,ZHUYufei

(School of Transportation and Mechanical Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168，China)

以十一輥平行輥矯直機(jī)為原型，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA建立了鋼筋矯直系統(tǒng)有限元模型；在理論壓下量和實(shí)測(cè)壓下量下，分別對(duì)3種不同直徑的鋼筋進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到了鋼筋在矯直過程中與矯直后的應(yīng)力大小及分布情況；分析并比較了在理論壓下量和實(shí)測(cè)壓下量下，端面中心節(jié)點(diǎn)處與應(yīng)力最大點(diǎn)處的彈塑性應(yīng)變變化規(guī)律，找到了相對(duì)合理的壓下量方案。該研究結(jié)果對(duì)掌握鋼筋矯直過程的力學(xué)特性變化和提高矯直質(zhì)量具有一定的參考價(jià)值和實(shí)際意義。

鋼筋矯直；壓下量；應(yīng)力；應(yīng)變

Taking eleven-roll parallel roll straightening machine as a prototype, the authorsestablished a FEM of straightening system of steel bars by ANSYS/LS-DYNA； under theoretical and measured rolling reduction, the authors simulated the process for straightening steel bars of three different kinds of diameter and did kinetic analysis, as a result, the authors obtained stress and its distribution in the process of straightening and after straightening； through analyzing and comparing the change rules of elastic and plastic strain at the center node of each face and at the biggest stress point under theoretical and measured rolling reduction, the authors found a comparatively reasonable rolling schedule. The study provides certain references for mastering mechanical characteristics of straightening process and improving the quality of straightening and it has practical significance.

straightening steel bars； rolling reduction； stress； strain

2014-05-07

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011BAJ02B03-3)

TH12

A

1001-2257(2014)09-0015-04

鄭夕健(1963-)，男，山東容城人，教授，研究方向?yàn)榻ㄖC(jī)械設(shè)計(jì)理論、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論、建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析、有限元結(jié)構(gòu)分析和建筑機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)等；朱禹霏(1990-)，女，遼寧沈陽人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣こ虣C(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。