鄭夕健，李允鵬，常曉華

(1.沈陽(yáng)建筑大學(xué) 交通與機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168；2.遼寧省安全科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

鋼筋彎曲成型過(guò)程是一個(gè)同時(shí)包括幾何、材料和邊界條件等問(wèn)題的復(fù)雜非線性的彈塑性變形過(guò)程。鋼筋彎曲成形件質(zhì)量的高低不僅影響鋼筋成形后能否符合設(shè)計(jì)尺寸，而且還直接影響到鋼筋的綁扎、構(gòu)件的定位尺寸、甚至構(gòu)件的受力性能。目前各廠家設(shè)計(jì)的立式鋼筋彎曲機(jī)的彎曲加工速度范圍、彎曲模具的形狀和尺寸存在差別,導(dǎo)致了鋼筋彎曲成形產(chǎn)品質(zhì)量存在差異，因此深入研究鋼筋彎曲的回彈問(wèn)題，有很大的理論與工程意義。

1 立式鋼筋彎曲系統(tǒng)有限元分析

如圖1所示，鋼筋彎曲的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為:靠模固定不動(dòng)，鋼筋左端足夠遠(yuǎn)處為固定端，彎曲軸繞著O點(diǎn)做逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)鋼筋實(shí)現(xiàn)繞靠模彎曲；彎曲成型后，撤去彎曲軸，鋼筋在殘余應(yīng)力的作用下發(fā)生一定的回彈。根據(jù)上述鋼筋彎曲原理，運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA軟件通過(guò)APDL參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言建立的立式鋼筋彎曲系統(tǒng)有限元模型如圖2所示。本文將鋼筋視為彈性體，彎曲軸和彎曲模具視為剛性體。在模型中，顯式計(jì)算采用SOLID 164單元定義鋼筋、彎曲軸和彎曲模具的材料屬性，在隱式中SOLID 164單元的變形狀態(tài)、應(yīng)力等參數(shù)傳遞給相應(yīng)的隱式SOLID185單元，只要給鋼筋給定邊界條件，便能夠執(zhí)行鋼筋的回彈隱式模擬，得到鋼筋彎曲的回彈角度，回彈效果圖如圖3所示。

2 正交試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)方案

在立式鋼筋彎曲成型中鋼筋彎曲回彈角度主要與彎曲模具尺寸、彎曲速度和卡緊長(zhǎng)度有關(guān)。本文主要研究彎曲模具尺寸和彎曲速度與立式鋼筋彎曲回彈角度的關(guān)系，其中模具尺寸包括靠模長(zhǎng)度和靠模間距。在對(duì)鋼筋彎曲回彈角度的推導(dǎo)過(guò)程中假設(shè)鋼筋彎曲過(guò)程中性層不改變，而彎芯直徑的改變會(huì)使鋼筋在彎曲成型過(guò)程中性層產(chǎn)生滑移，所以將彎芯直徑作為備選研究因素。

通過(guò)以上分析正交試驗(yàn)的因素確定為：A靠模間隙，B靠模長(zhǎng)度，C彎曲速度，D彎芯直徑。仿真正交試驗(yàn)條件為：選用直徑為10mm的HPB235鋼筋；彎曲角度為90°；彎曲半徑為110mm；鋼筋彎曲件形狀如圖4所示，L1為1000mm，L2為250mm；正交試驗(yàn)因素水平表如表1所示。

表1 因素水平表

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1選擇四因素三水平L9（34)正交試驗(yàn)表進(jìn)行9組正交試驗(yàn)，試驗(yàn)組合及回彈角度結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)回彈角度結(jié)果得出因素A、B、C、D對(duì)回彈角度的均值與極差見(jiàn)表3。

表2 正交試驗(yàn)表

表3 均值與極差

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在正交試驗(yàn)變化的水平范圍內(nèi)，極差T越大，與之對(duì)應(yīng)的那一列因素對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果影響越大。由表3回彈角度的均值與極差結(jié)果可以得到T3>T1>T2>T4，說(shuō)明彎曲速度對(duì)結(jié)果造成的影響最大，其次依次為靠模間隙、靠模長(zhǎng)度，彎芯直徑對(duì)結(jié)果造成的影響最小，所以在一定的彎曲加工條件下，影響回彈角度因素顯著性由強(qiáng)到弱依次為：彎曲速度、靠模間隙、靠模長(zhǎng)度、彎芯直徑。

3 回彈角度的修正

鋼筋彎曲90°且處于卸載前時(shí)，最大應(yīng)力發(fā)生在彎曲鋼筋緊貼上模處。在彎曲卸載時(shí)，彎曲段鋼筋彎曲力臂和靠模上下模間直段鋼筋產(chǎn)生的彈性回復(fù)會(huì)影響回彈角度。在彎曲模具參數(shù)一定的條件下，需根據(jù)彎曲速度大小對(duì)回彈角度進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)正交試驗(yàn)分析結(jié)果，建立仿真試驗(yàn)：靠模間距2mm；靠模長(zhǎng)度50mm；彎芯直徑50mm；彎曲半徑110mm；彎曲角度分別為60°、90°、120°；彎曲速度分別為0.5rad/s、0.7rad/s、0.9rad/s、1.1rad/s、1.3rad/s、1.5rad/s，其它條件與2.1中相同。參考文獻(xiàn)[1]，把文獻(xiàn)中用回彈公式計(jì)算的回彈角度作為理論值，把文獻(xiàn)中試驗(yàn)測(cè)量得到回彈角度作為試驗(yàn)值。在彎曲角為60°、90°、120°時(shí)，理論回彈角度值分別為2.721°、2.014°、1.321°；試驗(yàn)值分別為6.12°、5.75°、4.10°；參考文獻(xiàn)[2]允許偏差分別為+8°、+6°、+8°；不同彎曲速度下的仿真回彈角度值如表4所示。

可以看出，本模型的回彈角度符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YB/T 4162-2007的規(guī)定，與實(shí)際試驗(yàn)情況基本吻合。在彎曲角為60°、90°、120°時(shí)，本模型的數(shù)據(jù)取平均值，對(duì)比試驗(yàn)值的誤差為15.8%、17.8%、2.0%，分別小于理論值對(duì)比試驗(yàn)值的誤差55.5%、65.0%、67.8%。證明本模型的回彈角度比理論彎曲回彈角度更接近實(shí)際。為了進(jìn)一步研究彎曲速度與回彈角度的關(guān)系，根據(jù)仿真值與理論值計(jì)算出回彈角度差值，即回彈角度修正值δ，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 回彈角度仿真對(duì)應(yīng)表

表5 回彈角度修正值表

根據(jù)表5中數(shù)據(jù)在Matlab可擬合出不同的彎曲速度、不同的彎曲角度的回彈修正值的擬合曲面函數(shù)，如圖5所示。

圖5中x為彎曲速度，y為彎曲角度，p為回彈角度修正值。將x、y、p分別替換為ω、α、δ，可以得到回彈角度修正值的方程式為

其中，δ為回彈角度修正值；ω為彎曲速度；α為彎曲角度。可根據(jù)上式對(duì)彎曲速度所產(chǎn)生的回彈角度偏差進(jìn)行修正。

4 結(jié) 論

1）通過(guò)對(duì)立式鋼筋彎曲系統(tǒng)建立有限元模型，對(duì)鋼筋彎曲回彈進(jìn)行了仿真分析，得到了鋼筋彎曲回彈角度。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，與實(shí)際試驗(yàn)情況基本吻合。

2）分析證明在彎曲速度為0.5～1.5rad/s，靠模間隙為2～4mm時(shí)，靠模長(zhǎng)度為30～50mm，彎芯直徑為50～70mm時(shí)，影響鋼筋彎曲回彈因素顯著性由強(qiáng)到弱依次為：彎曲速度、靠模間隙、靠模長(zhǎng)度、彎芯直徑。彎曲速度對(duì)回彈角度的影響最大，彎曲條件相同時(shí)，減小彎曲速度，可以減小回彈角，提高彎曲質(zhì)量。

3）為了進(jìn)一步研究彎曲速度與回彈角度的關(guān)系，本文選擇0.5～1.5rad/s不同的彎曲速度，對(duì)回彈角度進(jìn)行了修正，得到了修正公式，該回彈角度修正計(jì)算公式比理論回彈角度公式更為準(zhǔn)確，更接近實(shí)際，為同類(lèi)型立式鋼筋彎曲機(jī)的研究提供了參考。

[1]閻淑麗，杜世淵.鋼筋彎曲回彈試驗(yàn)及其數(shù)學(xué)模型校正[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2010，25(6)：68-69.

[2]YB/T 4162-2007，鋼筋混凝土用加工成型鋼筋[S].