大型H型钢矫直规程对矫后残余应力的影响分析

姜亦祥，李银平，曹 媛

1 引言

H型钢截面模数大、重量轻、承载能力强、力学性能好、节约金属材料等优点。被广泛应用于工程、工业厂房、机械设备、桥梁、地铁工程、码头港湾、造船、石油化工、海洋平台、地矿、水利等国民建设的各个方面[1]。在H型钢的轧制、冷却、运输等过程中，由于受到外力碰撞、温降不均、残余应力等因素的影响，在生产过程中必须进行矫直，而传统的矫直规程设置虽然具有理论计算方法，但无法满足实际生产中矫直高质量H型钢的要求。结合国内外研究现状，对矫直过程采用理论计算压下量、有限元数值仿真技术及计算机实时控制研究相结合的方法，以得矫直质量更高的H型钢。残余应力的大小及分布对H型钢的相关屈区性能、使用安全性及疲劳寿命等性能有着重大的影响，也是衡量H型钢矫后质量的重要技术指标之一[2]。由国家标准GB/T11263-2010《热轧H型钢和部分T型钢》中并未对H型钢的残余应力做出规定和要求。因此对HN1000x300大型H型钢在不同矫直规程下的矫直过程进行数值模拟，对各矫直规程下H型钢的矫后残余应力的大小及分布状态统计对比分析，进而得出残余应力值最小且分布状态合理的最优矫直规程，对进一步的提高生产质量和生产效率具有十分重大的指导意义。

2 H型钢矫直变形过程的有限元模拟

为了对矫直过程进行数值模拟，需要对矫直辊和H型钢适当的简化以建立一个合适的矫直模型。为了在Workbench Ls-DYNA中计算的更加准确，模型的建立要考虑其形状、受力及相互约束的特征，并忽略一些细节。根据国家标准及实际模型的几何尺寸运用Pro/ENGINER建立了HN1000X300 H型钢九辊平行辊矫直模型，基于ANSYS Workbench 14.5软件能与Pro/ENGINER软件具有很好的数据共享和交换特性而不会造成点线面的丢失，从而更好的建立H型钢矫直有限元仿真模型[3]。在H型钢矫直模拟的过程中，模型的端面尺寸与现场H型钢的实际参数一致，对矫直辊进行相应简化以节省计算时间[4]。九个矫直辊共产生七个三角变形区，每三个上下相邻的矫直辊组成一个矫直单元，形成一个强迫弯曲，发生七次反弯变形，从而完成整个矫直过程。九辊平行辊矫直示意图，如图1所示。

图1 九辊平行辊矫直示意图Fig.1 Schematic Diagram of Nine Roller Parallel Roller Straightening Schematic

2.1 H型钢有限元矫直仿真模型的建立

根据大型H型钢的实际尺寸及矫直机的参数，建立三维有限元模型，矫直机辊距为2000mm，辊径为1200mm，辊长为120mm，大型H型钢的长度为7000mm。使大型H型钢的长度能够横跨整个矫直辊距以更好的模拟矫直过程从而充分地呈现矫直效果。大型H型钢的三维有限元仿真模型，如图2所示。

图2 H型钢九辊平行辊矫直有限元模型Fig.2 Finite Element Model of H-Beam Nine Roller Parallel Roller Straightening

2.2 材料选择及相关参数设置

图3 矫直辊及H型钢材料参数设置Fig.3 Parameter Setting of Straightening Roller and H-Beam Material

H型钢材料采用Q235B双线性等向强化材料，在弹性变形阶段，应力应变关系满足广义胡克定律，在塑性变形阶段，材料屈服后立即有硬化产生，其化学成分主要有碳C、硅Si、锰Mn等[5]。矫直辊采用12CrMoV线弹性材料，无需考虑其剪切模量和屈服极限。矫直辊和H型钢材料相关参数设置，如图3所示。

2.3 初始条件设置及网格划分

为了满足模拟计算的精度要求，对H型钢采用多区域的网格尺寸划分，对腹板和R角处采用较密的网格划分，而矫直辊作为解析性刚体不需要单元类型和网格划分[6]。整个模型共划分为40026个单元，54763个节点。H型钢的截面横断面网格划分，如图4所示。对模型进行初始条件设置，给H型钢沿x轴负方向一个大小为1.2m/s的初始速度，使其被矫直辊咬入；给上下矫直辊一个绕y轴大小为2rad/s且旋转方向相反的角速度。由于H型钢与矫直辊之间的接触类型为刚体—柔体接触，也必然存在摩擦力，H型钢与矫直辊接触咬入后，正是在摩擦力的作用下H型钢才能完全通过矫直辊完成矫直过程，这里摩擦系数取为0.25[7]。

图4 H型钢截面横断面网格划分Fig.4 H-Beam Cross Section Cross-Section Mesh

3 H型钢在现场及不同矫直规程下矫直时对残余应力的影响分析

在现场矫直规程8.6-7.2-6.6-5.8mm及三组不同矫直规程9.1-7.7-7.1-6mm；9.6-8.2-7.6-6.2mm；10.1-8.7-8.3-6.4mm 下利用Workbench LSDYNA模块对矫直过程进行数值模拟，对三组不同矫直规程下矫直得出的残余应力和现场矫直规程下矫直得出的残余应力的大小和分布状态统计绘制于同一个二维图中对比分析[8]，如图5所示。

图5 四组矫直规程下H型钢纵向残余应力分布Fig.5 The Longitudinal Residual Stress of H-Beam with Four Straightening Procedure

由图5可以得出，在现场矫直压下量8.6-7.2-6.6-5.8mm下进行矫直，可以看出应力分布变化比较明显，在腹板部位呈现压应力状态，其最大值为23.804MPa；在R角处应力为拉应力状态，其最大值为214.23MPa；同时看出残余应力的分布规律呈现“凹”字形，与现场H型钢矫直后测得残余应力大小和分布规律一致。

在矫直规程9.1-7.7-7.1-6mm下进行矫直模拟后的残余应力分布状态大致呈现“凹”字形分布，其值发生了四次较大的变化，第一次变化在腹板高度的41.67mm处其值升至137.26MPa；第二次变化在腹板高度的166.67mm处其值降为33.29MPa；第三次变化在腹板高度的333.33mm处其值又升为75.07MPa；第四次变化在腹板高度的875mm处其值升到162.62MPa。与在现场矫直规程8.6-7.2-6.6-5.8mm下的残余应力分布状态大致一致，其发生改变的次数和位置都基本相同。从残余应力值大小来看，在压下量9.1-7.7-7.1-6mm下矫直后，H型钢腹板上的最大残余拉应力为20.05MPa，要大于在现场矫直规程8.6-7.2-6.6-5.8mm下矫直后腹板上的最大残余拉应力9.98MPa；而R角处的最大残余拉应力187.06MPa要小于在现场矫直规程8.6-7.2-6.6-5.8mm下的R角处的最大残余拉应力200.46MPa。对H型钢来讲，R角处的拉应力越大及腹板上的拉应力越小，钢件在静拉伸作用下的最大承载力就越大，这样才能使H型钢的承载力最大[9]，故其矫直规程9.1-7.7-7.1-6mm要比现场矫直规程的矫直效果要好。

在矫直规程9.6-8.2-7.6-6.2mm下进行矫直模拟后，残余应力的分布状态也发生了四次较大的变化，第一次变化位于腹板高度41.76mm处其残余应力值达到130.03MPa；第二次变化位于腹板高度333.33mm处其残余应力值降到91.92MPa；第三次变化位于腹板高度833.33mm处其残余应力值再次降为43.21MPa；第四次变化发生在腹板高度的937.50mm处，此时矫后残余应力值达到最大值184.74MPa。无论在腹板处还是R角处其最大值184.74MPa都要远远地小于现场所测得残余应力最大值200.46MPa且分布状态比较均匀，即在矫直规程9.6-8.2-7.6-6.2mm下的矫直效果不仅要优于在现场矫直规程下的的矫直效果，而且提高了生产质量和生产率。

在矫直规程10.1-8.7-8.3-6.4mm下进行矫直模拟后，从残余应力值的大小角度来看，发生了五次较大的变化。第一次变化位于腹板高度62.50mm处其残余应力值达到364.43MPa；第二次变化位于腹板高度83.33mm处其残余应力值降为166.18MPa；第三次较大的变化位于腹板高度416.67mm处其矫后残余应力值再次降为27.19MPa；第四次较剧烈的变化位于腹板高度854.17mm处其残余应力值增加到334.04MPa；第五次变化位于腹板高度895.83mm处，残余应力值降为190.46MPa且在腹板端部残余应力值再次减小到107.30MPa。从残余应力的分布状态来看，应力分布规律不均，分布曲线不够规则，况且第一次变化的残余应力值364.43MPa和第四次变化的残余应力值334.04MPa都要大于满足现场生产要求的残余应力值220MPa。综合以上两点可以得出矫直规程10.1-8.7-8.3-6.4mm不能够应用于现场生产。

总之，由于矫直过程中H型钢产生了硬化，虽然后面的矫直辊规程不大，但其R角部位的累积应力变化较大，腹板中心部位应力变化不大，从而说明了矫直过程中断面腹板基本没有发生弯曲，也保证了腹板的弯曲度。在四组矫直规程下H型钢的矫后残余应力都呈“凹”字形分布，R角及腹板部位都呈现拉应力状态，完全符合H型钢的使用性能要求[10]。从H型钢矫后残余应力值的大小来看，在矫直规程9.6-8.2-7.6-6.2mm下矫直模拟后得到的残余应力值最小，即为最佳矫直规程。

4 现场实测矫后残余应力值

在H型钢矫直现场，取一段矫后H型钢利用切割法进行残余应力值的检测实验，如图6所示。步骤如下：（1）对腹板的表面用酒精进行清理；（2）在清洗的表面贴上三向电阻式应变片；（3）用切割用具在三向应变片中心处进行切割。

图6 现场实测残余应力值Fig.6 Field Measured Residual Stress

孔边的径向应力下降为0，孔区应力重新分布，应变计便感受到应力释放所产生的应变，通过测量应变计的应变进行相应的计算，进而求得该点的两个主应力σ1，σ2，其计算公式为：

式中：ε1、ε2、ε3—由电阻式应变计测得的主应力值；A 取 1、B 取0.8代表释放系数；经测得：

ε1=284.4MPa，ε2=286.8MPa，ε3=352.2MPa

代入公式的应力值σ=184.4MPa与利用WorkbenchLS-DYNA软件计算出的最大应力值184.74MPa相近，从而再次证明矫直规程设置的合理性，得出的残余应力值和分布状态也是最优的。

5 结论

通过对四组矫直规程下H型钢矫后残余应力值的大小和分布状态的对比分析得：（1）在四组矫直规程下矫直模拟后H型钢的矫后残余应力分布状态均呈“凹”字形分布，R角部位及腹板上呈现拉应力状态。（2）矫直规程8.6-7.2-6.6-5.8mm；9.1-7.7-7.1-6mm及9.6-8.2-7.6-6.2mm是符合现场生产要求的。而矫直规程10.1-8.7-8.3-6.4mm的矫后最大残余应力值要大于生产规定的最大值220MPa，且残余应力分布状态也不均匀。（3）在矫直规程9.1-7.7-7.1-6mm；9.6-8.2-7.6-6.2mm下进行矫直是满足现场生产要求的，比现场矫直规程8.6-7.2-6.6-5.8mm下其矫直质量和生产率都高。（4）矫后得到的最优残余应力值与实测得到的残余应力值相等，证明了矫直结果正确，矫直速度的设定对矫后残余应力的大小和分布状态的影响较大，有待于下一步继续研究。