管奔等：基于H型钢残余应力主动控制的矫直工艺设计 ·131 算时间高达20h,本模型的运算时间则低于1s.由于 本模型极低的运算成本和分布式计算多次弯曲的特 d:=N N: 点，使我们能够在较短的运算时间内得到整个工艺 1 参数可行域内H型钢残余应力的所有演变状态，这 N,。 也令基于该模型的矫直过程残余应力主动控制设计 成为可能 N (o4-0e)2. 最后，工艺参数的设计还需要附加矫直过程中几 何缺陷的2个控制目标参数，他们分别是H型钢的残 留曲率C,和整体残留曲率范围{C}.工艺参数的主 动设计即应基于对以上5个目标参数的控制进行. 2.2主动设计方案研究 工艺方案的制订遵循以下两条基本准则 (1)各次弯曲曲率递减：该原则基于矫直过程对 几何缺陷矫正的基本要求，且经过多种工艺方案试算 表明该原则有利于残余应力参数的优化 (2)G、G及{C}由前2次弯曲参数控制.该原 图3有限元模拟H型钢矫直过程模型 则基于对各种工艺方案的试算，试算结果表明这3个 Fig.3 Finite element model of the H-beam straightening process 参数主要受前2次大曲率弯曲参数的影响，第2次以 2矫直工艺参数主动设计研究 后的弯曲过程对此3个控制参数的影响极小（如图4 (b)所示). 2.1控制参数选择 基于以上两条基本原则，工艺方案的设计思路应 进行残余应力的主动控制首先需要确定控制的目 当是： 标参数.H型钢矫后残余应力主要从两个方面影响其 设矫直过程中的弯曲次数有i次，首先设定{C} 使用性能：首先，由于冷却温差造成的H型钢翼缘整 及G、σ的最终控制目标和S的初步控制目标，以此 体的拉应力状态和腹板整体的压应力状态会造成其在 为约束条件获得1、2次弯曲的工艺参数：继而设定第 切割、打孔等后续加工过程中严重的二次变形甚至开 3至i-1次弯曲对S的控制目标，以此为约束条件获 裂解体：其次，翼缘部分残余应力分布的平均性则会影 得第3至i-1次弯曲的工艺参数：利用矫直过程的最 响H型钢的屈曲承载能力. 后一次（第i次）弯曲消除H型钢的残留曲率C1,以 基于此，我们定义翼缘平均残余应力ō腹板平 消除C为约束条件获得第i次弯曲的工艺参数.具 均残余应力ū及翼缘残余应力均方差S共3个残余 体工艺设计流程如图5所示 应力的控制目标参数，其中前2个参数控制H型钢的 2.3主动控制工艺算例分析 二次变形问题，后一个参数则控制H型钢的屈曲承载 以某钢厂生产的700mm×300mm规格热轧H型 能力.各参数的定义及计算公式如下： 钢为例，其屈服极限σ，=235MPa.通过现场测试获得 150 90b) ·一数值差分模型石 +一数值差分模型S 100 +-有限元模型石 一-有限元模型5 50 一数他共分模型结采 赵 0 ·一行限兀织型果 60 50 -50 40 -100 30 -150 300-200 -1000 100200300 应力，oMPa 夸曲次数 图4有限元模型与差分模型的运算结果对比.()矫后翼缘残余应力分布：(b)残余应力参数的演变 Fig.4 Comparison of finite element results and numerical difference model results:(a)residual stress distribution of the flange after straightening: (b)evolution of residual stress parameters管 奔等: 基于 H 型钢残余应力主动控制的矫直工艺设计 算时间高达 20 h，本模型的运算时间则低于 1 s． 由于 本模型极低的运算成本和分布式计算多次弯曲的特 点，使我们能够在较短的运算时间内得到整个工艺 参数可行域内 H 型钢残余应力的所有演变状态，这 也令基于该模型的矫直过程残余应力主动控制设计 成为可能． 图 3 有限元模拟 H 型钢矫直过程模型 Fig． 3 Finite element model of the H-beam straightening process 图 4 有限元模型与差分模型的运算结果对比． ( a) 矫后翼缘残余应力分布; ( b) 残余应力参数的演变 Fig． 4 Comparison of finite element results and numerical difference model results: ( a) residual stress distribution of the flange after straightening; ( b) evolution of residual stress parameters 2 矫直工艺参数主动设计研究 2. 1 控制参数选择 进行残余应力的主动控制首先需要确定控制的目 标参数． H 型钢矫后残余应力主要从两个方面影响其 使用性能: 首先，由于冷却温差造成的 H 型钢翼缘整 体的拉应力状态和腹板整体的压应力状态会造成其在 切割、打孔等后续加工过程中严重的二次变形甚至开 裂解体; 其次，翼缘部分残余应力分布的平均性则会影 响 H 型钢的屈曲承载能力． 基于此，我们定义翼缘平均残余应力 σyc、腹板平 均残余应力 σfc及翼缘残余应力均方差 Syc共 3 个残余 应力的控制目标参数，其中前 2 个参数控制 H 型钢的 二次变形问题，后一个参数则控制 H 型钢的屈曲承载 能力． 各参数的定义及计算公式如下: σyc = 1 B ∫ B 2 － B 2 σycdz = 1 N1 ∑ N1 0 σycΔ， σfc = 1 t1 ∫ t 1 2 － t 1 2 σfcdz = 1 N2 ∑ N2 0 σfcΔ， Syc = 1 N1 ∑ N1 0 ( σycΔ － σyc ) 槡 2 ． 最后，工艺参数的设计还需要附加矫直过程中几 何缺陷的 2 个控制目标参数，他们分别是 H 型钢的残 留曲率 Cc和整体残留曲率范围{ Cc } ． 工艺参数的主 动设计即应基于对以上 5 个目标参数的控制进行． 2. 2 主动设计方案研究 工艺方案的制订遵循以下两条基本准则． ( 1) 各次弯曲曲率递减; 该原则基于矫直过程对 几何缺陷矫正的基本要求，且经过多种工艺方案试算 表明该原则有利于残余应力参数的优化． ( 2) σyc、σfc及{ Cc } 由前 2 次弯曲参数控制． 该原 则基于对各种工艺方案的试算，试算结果表明这 3 个 参数主要受前 2 次大曲率弯曲参数的影响，第 2 次以 后的弯曲过程对此 3 个控制参数的影响极小( 如图 4 ( b) 所示) ． 基于以上两条基本原则，工艺方案的设计思路应 当是: 设矫直过程中的弯曲次数有 i 次，首先设定{ Cc } 及 σyc、σfc的最终控制目标和 Syc的初步控制目标，以此 为约束条件获得 1、2 次弯曲的工艺参数; 继而设定第 3 至 i － 1 次弯曲对 Syc的控制目标，以此为约束条件获 得第 3 至 i － 1 次弯曲的工艺参数; 利用矫直过程的最 后一次( 第 i 次) 弯曲消除 H 型钢的残留曲率 Cci － 1，以 消除 Cci － 1为约束条件获得第 i 次弯曲的工艺参数． 具 体工艺设计流程如图 5 所示． 2. 3 主动控制工艺算例分析 以某钢厂生产的 700 mm × 300 mm 规格热轧 H 型 钢为例，其屈服极限 σs = 235 MPa． 通过现场测试获得 · 131 ·