大截面尺寸构件的冷弯成形方法.pdf

本发明公开了一种大截面尺寸构件的冷弯成形方法，根据构件的截面尺寸、材性确定支承跨距和成形荷载，通过成形模将所确定的成形荷载施加于构件跨中的一侧，完成一次横向顶弯后卸载，并测得构件在支承跨距内的真实变形；然后根据实测变形量，确定单次顶弯时在支承间距内产生的有效弧段的长度；从而以二分之一的有效长度为分段标准和长度单位，将待成形构件分为若干等长的分段；每次顶弯完成后将构件朝已成形的曲线段方向移动一个有效长度，重复上述加载和卸载过程，实现连续分段成形，完成整个构件的连续冷弯成形，成形弯管精度高，成形过程易标准化。

权利要求书
1.  一种大截面尺寸构件的冷弯成形方法，将待成形的构件置于支承模上，加载油缸经由成形模将荷载施加于构件，其特征是包括以下步骤：
A、利用构件材料的屈服应变εy和最大塑性应变εu的比值乘以构件圆管中面的半径r，得到构件任意横截面上的弹性核的高度按构件应力分布的差异将构件横截面分为三个区域，在弹性核高度y0以外至截面最外侧的两个边缘区域的应力等于材料的屈服强度σy，在弹性核高度以内区域的应力按线性分布，将任意截面的分布应力向截面弯曲中性轴进行合成，得到截面上所有应力引起的弯矩和最大弯矩Mu，最大弯矩Mu状态所对应的荷载是构件成形时承受的最大荷载；
B、计算出支承跨距和最终成形荷载F是加载油缸所能提供的最大加载能力，l是成形模的长度；
C、将加载油缸以最终成形荷载Fu施加于构件，之后卸掉荷载，当构件回弹变形稳定，支承跨距S内的构件呈拱状曲线，测出支承跨距S内的曲线拱的跨中矢高，获得构件单次顶弯后的真实变形Δ；
D、计算出构件单次顶弯后的有效长度R是构件设计弯曲半径，以L为分段标准对构件进行分段；
E、逐个移动待成形的分段，并按序逐个顶弯各分段，完成整个构件的连续冷弯成形。

2.  根据权利要求1所述大截面尺寸构件的冷弯成形方法，其特征是：步骤A中，最大塑性应变εu为10倍的屈服应变εy，且不超过产品的允许塑性应变。

3.  根据权利要求1所述大截面尺寸构件的冷弯成形方法，其特征是：步骤B中，支承跨距S以0.5m为模数确定。

4.  根据权利要求1所述大截面尺寸构件的冷弯成形方法，其特征是：步骤E中，连续冷弯成形时始终固定支承模的位置和间距，将构件待成形的直线段朝已成形的曲线段方向移动，每次移动的距离为有效长度2L，将成形荷载Fu施加于各个待成形的分段。

5.  根据权利要求1所述大截面尺寸构件的冷弯成形方法，其特征是：成形模的截面呈弧形，弧形的半径比构件的设计弯曲半径R小5m。

说明书大截面尺寸构件的冷弯成形方法
技术领域
本发明属于管材和型钢二次冷加工领域，涉及一种大截面尺寸构件的冷弯成形方法，成形产品主要应用于管道工程和建筑钢结构领域，所弯构件的直径或截面最大尺寸可超过1500mm。
背景技术
大截面尺寸的弧形构件(弯管和弯曲型钢)广泛应用于油气输送管道工程和大跨度空间钢结构领域。其采用的成形工艺主要有中频热弯和冷弯。中国专利(公开号为CN102350452A，名称为“一种钢管大半径弧度弯制方法及大弯弯管机”)公开了一种钢管大半径弧度弯制方法及大弯弯管机。但由于中频热弯方式存在高能耗和低效率等成本因素，以及过烧、材性变脆、成形过弯难以调整等产品性能缺陷，目前工程中主要采用冷弯的成形方式。
应用于管道工程和钢结构工程中的弧形构件的成形特点是，截面尺寸大，冷弯成形所需的成形荷载也大，因而该类构件通常只能采用垂直于管侧横向加载、顶弯的方式获得所需的形状，其冷弯时受力模式类似于悬臂梁或简支梁。中国专利(公开号为CN101927281A，名称为“一种变步长冷弯管制造方法”)公开了一种以悬臂梁受力模式成形的、在管道工程中应用的冷弯工艺，提出了一种连续分段冷弯成形钢管的分段长度确定方法。但该专利依靠试弯确定单次弯曲角度，成形荷载与分段长度的确定人为因素影响明显，难以保证产品性能稳定，特别是弯管的材性变化不明确。
中国专利(公开号为CN201310053884、名称为“弧形圆管构件压弯成形过程中精度控制方法”)公开了一种以简支梁受力模式成形的、在钢结构领域中应用的冷弯工艺，提出了一种大口径钢管的冷弯精度控制方法。但该专利依靠复杂的数值分析方法模拟弧形圆管的加载与卸载过程，预测冷弯成形荷载和弯管的真实变形，其在生产阶段对技术人员有很高的理论要求，实施成本很高。
中国专利(公开号为CN101380652、名称为“大型曲线型钢管冷弯成型的加工工艺”)公开了一种建筑钢结构弯曲钢管的加工工艺。但该成形工艺仅从几何放样的角度给出了冷弯成形构件的分段方法，其分段方法未能考虑冷弯工艺引起的物理变化对成形精度的影响，在成形荷载的确定方面也未给出解决方案，难以控制构件最终的成形形状。
于大尺寸构件的冷弯工艺而言，无论采用悬臂梁还是简支梁受力模式，各类工艺均须经历连续、多次分段顶弯成形。一种典型的简支梁受力模式的顶弯装置如图1所示，待成形的构件2置于支承模1上，加载油缸3经由成形模4将荷载施加于构件2。其单次顶弯的受力 模型可简化为图2所示的简支梁模型，为得到设计弯曲半径为R的弧形构件，须在构件的初始位形5用加载油缸3施加成形荷载，卸载回弹后得到曲线状构件2，在支承跨距S内构件将产生真实变形Δ，由于该简支梁成形时仅跨中一段进入弹塑性状态，故通常认为只有跨中弧长为2L、矢高为δ的弧段(以分段点2.1-2.2-2.3标识)达到设计要求，因而该弧段的长度被称为成形的有效长度，该有效长度也为连续分段顶弯成形的分段标准。连续分段成形时，首先要将构件进行分段(如图3所示，图中2.1至2.7为构件2的七个分段点)，然后再分段加载成形。为确保构件成形时不从支承模脱落，同时保护已切好相贯口的构件端部，在首个和最后一个分段顶弯时，应使构件处在支承模外的一端预留长度不小于0.3m(见图3和图5中的预留段2.0)，该预留段在成形前后均不发生塑性变形。首次顶弯结束后构件的整体变形如图3所示，在支承模1的跨距内，构件2将获得真实变形Δ，首次顶弯产生的有效弧段为2.1-2.2-2.3。上一个分段顶弯完成后，需要以有效长度为单位，将构件由未成形的直线段朝已成形的曲线段方向，移动一个单位长度，以确保前后两次顶弯所产生的有效弧段正好能首尾相连。移动构件后重新弯制支承模跨距内的分段，获得的弧线形状如图4所示，此次顶弯产生的有效弧段2.3-2.4-2.5正好与前一个有效弧段2.1-2.2-2.3连续光滑过度。按此方法逐步移动并连续顶弯至所有分段结束，最终弯管形状如图5所示。不难看出，就连续分段顶弯工艺而言，支承模跨距、成形荷载以及构件的移动长度三个参数是影响产品的最终成形精度的关键因素，但目前加工工艺均依赖于工人经验确定上述关键参数。
综上所述可见，目前的冷弯工艺在支承模跨距、成形荷载和分段长度的确定方面，人为经验因素影响非常明显，使得所成形的产品存在严重的不确定性，成形精度难以控制，构件成形后的力学性能也不明确。
发明内容
本发明的目在于克服现有大截面尺寸构件冷弯成形存在的问题，综合考虑构件的截面尺寸、材性和支承跨距等物理和几何参数对成形工艺的影响，提出一种大截面尺寸构件的冷弯成形方法，解决大截面尺寸构件冷弯成形的成形荷载和支承模跨距的确定、分段成形的分段长度及分度数目的确定问题，弯管精度高，成形过程易标准化。
本发明是这样实现的：包括以下步骤：
A、利用构件材料的屈服应变εy和最大塑性应变εu的比值乘以构件圆管中面的半径r，得到构件任意横截面上的弹性核的高度按构件应力分布的差异将构件横截面分为三个区域，在弹性核高度y0以外至截面最外侧的两个边缘区域的应力等于材料的屈服强度σy， 在弹性核高度以内区域的应力按线性分布，将任意截面的分布应力向截面弯曲中性轴进行合成，得到截面上所有应力引起的弯矩和最大弯矩Mu，最大弯矩Mu状态所对应的荷载是构件成形时承受的最大荷载；
B、计算出支承跨距和最终成形荷载F是加载油缸所能提供的最大加载能力，l是成形模的长度；
C、将加载油缸以最终成形荷载Fu施加于构件，之后卸掉荷载，当构件回弹变形稳定，支承跨距S内的构件呈拱状曲线，测出支承跨距S内的曲线拱的跨中矢高，获得构件单次顶弯后的真实变形Δ；
D、计算出构件单次顶弯后的有效长度R是构件设计弯曲半径，以L为分段标准对构件进行分段；
E、逐个移动待成形的分段，并按序逐个顶弯各分段，完成整个构件的连续成形冷弯成形。
本发明的优点如下：
1、本发明在确定构件冷弯成形时支承模跨距和成形荷载时，兼顾了冷弯产品的材性变化，可控制产品在冷弯成形后的材性变化。
2、本发明根据首次顶弯引起的真实变形量确定构件连续分段顶弯的分段长度，确定了构件单次顶弯时有效弧段长度，以及连续成形的分段长度，可实现成形精度控制，避免了现有加工工艺依赖人为经验确定参数所引起的不确定性，以及产品力学性能的不稳定性。
3、本发明适用性强，替换成形模和支承模则可弯制除普通圆管、工字形型钢等其他任意截面形状的构件。
附图说明
图1是大截面尺寸构件顶弯装置示意图；
图2是单次弯曲的构件受力模型示意图；
图3是首次弯曲后构件的变形图；
图4是移动单位有效长度并再次弯曲后构件的变形图；
图5是所有分段弯曲结束后构件的最终变形图；
图6是构件弯曲过程中某截面的应力分布示意图。
附图标记说明：1-支承模；2-待成形的构件；3-加载油缸；4-成形模；5-构件的初始位形；
2L-单次顶弯的有效长度；S-支承跨距；δ-单次顶弯有效弧段的矢高；Δ-支承跨距内的实测变形量；R-设计弯曲半径。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明中，待成形的构件采用悬臂梁或简支梁受力模式，受力模式的顶弯装置包括支承模1、加载油缸3和成形模4。待成形的构件2置于支承模1上，加载油缸3经由成形模4将荷载施加于构件2。本发明先根据构件的截面尺寸、材性(允许的最大塑性应变、弹性模量、屈服强度等)确定支承跨距和成形荷载；随后通过成形模将所确定的成形荷载施加于构件跨中的一侧，完成一次横向顶弯后卸载，并测得构件在支承跨距内的真实变形；然后根据实测变形量，确定单次顶弯时在支承间距内产生的有效弧段的长度；从而以二分之一的有效长度为分段标准和长度单位，将待成形构件分为若干等长的分段；每次顶弯完成后将构件朝已成形的曲线段方向移动一个有效长度，重复上述加载和卸载过程，实现连续分段成形，最终得到满足设计要求的弧形构件。以圆钢管的弯制方法为例，具体如下：
第一步：从材料供给方提供的材性报告中获得材料的弹性模量E、屈服应变εy和屈服强度σy等材性参数，并根据产品验收规范中所限制的允许塑性应变[ε]确定构件冷弯成形时允许产生的最大塑性应变εu，一般最大塑性应εu变取为10倍的屈服应变εy，且不超过允许塑性应变[ε]，即εy＝0.1εu，εu＜[ε]。
第二步：确定支承跨距。
1)在成形过程的承载力极限状态，构件截面最外侧纤维的应变达到最大塑性应变εu。由平截面假定可知，圆管构件任意横截面上沿高度方向的纵向应变按线性分布，故利用屈服应变εy和最大塑性应变εu的比值乘以构件圆管中面的半径r，便可确定出构件任意截面上弹性核的高度为弹性核高度y0的示意见图6。
2)根据第1)步确定的弹性核高度y0，按应力分布的差异将截面分为三个区域，见图6。在弹性核高度y0以外至截面最外侧的两个边缘区域，其应力均等于材料的屈服强度σy；在弹性核高度以内区域，其应力按线性分布；在弹性核高度以内区域分界点的应力也为材料屈服强度σy。将任意截面的分布应力向截面弯曲中性轴(如图6中的ox轴)进行合成，可算得截面上所有应力引起的弯矩。就简支梁受力模型而言，跨中截面相比于其他位置的截面最先达到承载极限状态，则该跨中截面的弯矩为圆管冷弯成形时所能承受的最大弯矩Mu，使该截面达到最大弯矩Mu状态所对应的荷载则为圆管构件成形时所能承受的最大荷载。
3)将圆管构件成形时受力模型简化为受集中力作用的简支梁模型，如图1所示。根据简支梁力学模型中荷载与弯矩的对应关系，并考虑构件能承受的最大弯矩Mu和加载油缸3所能提供的最大加载能力F，初步确定支承跨距为并以0.5m为模数确定最终支承跨距，可取为2m、2.5m或3m等数值。
第三步：确定最终成形荷载。
1)弯曲成形时为避免加载油缸直接作用于钢管引起局部破坏，通常在油缸端部安装一个比弧形构件的设计弯曲半径R小5m(即取R-5)、长为l的弧形成形模包裹在钢管外部。可将成形模与钢管间的作用荷载视为呈三角形分布的荷载，该荷载的分布宽度为成形模的长度l，荷载合力与加载油缸的输出总荷载相等。
2)根据第二步确定的支承跨距S，以使跨中截面受力达到最大弯矩为成形的极限状态，成形模与构件间的作用荷载呈三角形分布，根据简支梁力学模型中荷载与弯矩的对应关系，确定所需的最终成形荷载为
第四步：实测单次顶弯时支承跨距S内钢管的真实变形量。
利用第三步确定的成形荷载Fu，施加于钢管，随后逐步卸掉所有的成形荷载Fu。当构件回弹变形稳定，支承模跨距S内的构件呈拱状曲线。以支承位置与构件圆管纵轴中线的交点为拱趾，在两个拱趾间拉线，利用普通卷尺或事先在变形最大的跨中处设置位移计，测得曲线拱的跨中矢高。该矢高则为在支承跨距S内，单次顶弯在圆管构件上引起的真实变形Δ。
第五步：计算构件单次顶弯时支承跨距内的有效长度。
根据第二步确定的支承跨距S、第四步实测得到的真实变形量Δ以及弯管产品的设计弯曲半径R，并结合图2所示的三角形相似关系，可确定钢管单次顶弯的有效长度为以L为分段标准和长度单位，对钢管进行分段。
第六步：逐个移动待成形的分段，并按序逐个顶弯各分段，完成整个构件的连续成形冷弯成形。
连续冷弯成形时始终固定支承模的位置和间距，将钢管待成形的直线段朝已成形的曲线段方向移动，其每次移动的距离为第五步所确定的有效长度2L，并将第三步所确定的成形荷载Fu施加于各个待成形的分段，当所有的分段均弯制结束，将得到满足设计曲率半径要求的弯管。图2所示为待成形的直线构件的受力模型，首次顶弯后的构件变形见图3；成形后将构件移动一个有效长度2L，再次加载成形后构件变形见图4；随后继续将未成形段朝已成形段方向移动一个有效长度2L，继续加载成形后构件变形见图5。
以下提供本发明的一个实施例：以一个直径2r＝325mm、壁厚t＝16mm、长度L0＝9m、设计弯曲半径R＝50m的弯管冷弯成形工艺为例，本发明实施时按以下步骤实施：
第一步：确定钢管冷弯成形的允许最大塑性应变εu。
材料为Q345C钢材，弹性模量E为2.05×105MPa，屈服强度σy＝345MPa，屈服应变εy＝σy/E＝0.17％，最大塑性应变取10倍的屈服应变，则εu＝10εy＝1.7％。
第二步：确定支承间距S。
1)根据圆管中面半径r＝(325-16)/2＝154.5mm、管壁厚t＝16mm、最大塑性应变εu和屈服强度σy，并按图6所示的计算模型，确定极限状态时弹性核高度
2)根据弹性核高度确定极限状态的最大弯矩为
3)将钢管成形受力模型简化为受集中力作用的简支梁，见图2。油缸所能提供的最大加载能力为2000kN，为保证设备安全，成形荷载取最大加载能力的50％，则F＝2000×50％＝1000kN。结合极限弯矩Mu，确定支承跨距为最终S取2.5m。
第三步：确定最终的成形荷载Fu。
1)由于实际弯曲加工时，要避免油缸直接作用于构件引起局部破坏，通常在油缸端部安装一个曲率半径R-5＝45m、长为l＝0.25m的弧形成形模包裹在构件外部，将成形模与构件之间的荷载作用视为分布长度为l的三角形分布的荷载，其合力与油缸加载的输出荷载相等。
2)根据第二步确定的跨距S＝2.5m，按受三角形分布荷载作用的简支梁受力模式，确定最终油缸输出的成形荷载为
第四步：利用所确定的成形荷载加于钢管，利用事先安装的位移计测得首次顶弯的真实变形为Δ＝7mm。
第五步：确定钢管冷弯时支承跨距内的有效长度。
设计弯曲半径R＝50m，根据图2的三角形相似关系，确定单次顶弯的有效长度为2L=8RΔS=8×50×0.0072.5=1.12m.]]>以L为单位将钢管分段，分段数目n=L0L=90.56&ap;16.]]>随后算得支承跨距内剩余的无效直线段长度为而a+L-0.3=0.04+0.56-0.3=0.3<S2=1.25,]]>显然不符合成形工艺要求。重新确定分段数目，取n＝12，从而a=L0-nL2=9-12×0.562=1.14m,]]>而a+L-0.3=1.14+0.56-0.3=1.4]]>>S2=1.25,]]>符合成形工艺要求。
第六步：逐段移动待成形的分段，并按序逐个顶弯各分段。
将钢管待成形的直线段朝已成形的曲线段方向移动，其移动距离为第五步所确定的有效长度2L＝1.12m，并将第三步所确定的成形荷载Fu＝900kN施加于新的分段，连续成形至所有分段弯曲结束，获得满足设计弯曲半径要求的弯管。