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H型钢矫直机理及有限元动态仿真研究

【摘要】:H型钢作为一种经济断面型钢,具有重量轻、承载能力大、外形美观、易于铆接、节约工时、降低造价等优点,已被广泛应用于工业与民用钢结构中,具有广阔的应用前景。但是,由于H型钢的断面结构相对其它形式型钢存在着腰高腿薄等特点,矫直时因稳定性问题,只能通过压下腹板进行整体矫直,这样就存在局部变形过大,合理压下量设置问题,因此,H型钢矫直过程研究和实践研究有很多难点问题。本文针对H型钢的特点,综合应用弹塑性有限元理论,结合解析方法、计算机仿真和测试、试验研究等手段,首次对H型钢的矫直机理进行了较为全面的研究,工作主要内容及成果有: 1、理论分析了矫直时H型钢腹板对断面塑性变形程度的影响,得出分析H型钢反弯挠度时可以将断面简化为对应的两块矩形这一结论。研究了H型钢辊式矫直反弯挠度的解法并得出了九辊变辊距矫直的解析解,得出了各辊处弯矩、矫直力和反弯挠度的解析关系;提出并验证了根据H型钢断面塑性变形区大小来确定各辊矫直弯矩从而求解压下挠度这一思想。针对考虑腹板与否,推导出了典型矫直单元的反弯挠度通用解析公式。 2、运用弹塑性有限元法验证了所推导解析公式的正确性。对九辊变辊距矫直和单个矫直单元进行了全面的静压下仿真研究。研究了压下挠度、矫直力、应力应变等力学参数的变化规律。验证了考虑腹板与否对H型钢矫直中各项参数的变化影响不大的结论。 3、理论上全面研究了H型钢的辊式矫直机理,推导出了H型钢辊式矫直时残余挠度和残余应力的理论解析公式。研究表明,考虑矫直过程中残余挠度和残余应力后,H型钢矫直时实际各辊的弯矩值、断面塑性变形程度均会发生变化;分析了考虑残余挠度和残余应力时断面弹区比以及各辊处弯矩的变化规律,提出了弯矩修正方法。 4、建立了弹塑性三维有限元模型,全面动态仿真了H型钢从咬入到稳定矫直到抛出这一矫直过程。分别针对有无原始缺陷的理想材料和线性强化材料的典型H型钢进行了动态有限元仿真,研究了相对原始曲率和强化系数对应力应变等参数的影响,取得了矫直过程中挠度、矫直力、应力应变的变化规律等。 5、实测了典型H型钢矫直前后几何状态,得出典型H型钢矫直前的弯曲数学模型基本可确定为正弦曲线与幂函数的叠加。测试了不同压下挠度矫直时H型钢的几何形态和主要力能参数,进一步证明了理论分析和仿真结果的正确性。

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