大截面尺寸构件的冷弯成形方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于管材和型钢二次冷加工领域，设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 1,SOOmnin
【背景技术】
[0002] 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， W及过烧、材性变脆、成形过弯难W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。
[0003] 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W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W保证产品性能稳定，特别是弯管的材性变化不明确。
[0004] 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W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。
[0005] 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W控制构件最终的成形形状。
[0006] 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A，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化、矢高为5的弧段（W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.I至2. 7为构件2的 屯个分段点），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 A，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W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，W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W及构件的移动 长度=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。
[0007] 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W控制， 构件成形后的力学性能也不明确。
【发明内容】
[0008] 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。
[0009] 本发明是运样实现的：包括W下步骤：
[0010] A、利用构件材料的屈服应变Ey和最大塑性应变e。的比值乘W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=个区域，在弹性核高度y。W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Oy，在弹性核高度W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M。，最大弯矩M。状态所对 应的荷载是构件成形时承受的最大荷载；
[0011] 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，1是成形模的长度；
[0012] C、将加载油缸W最终成形荷载F。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A;
[0013] 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，WL为 分段标准对构件进行分段；
[0014] 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。
[0015] 本发明的优点如下：
[0016] 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。
[0017] 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，W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，W及产品力学性能的不稳定 性。
[0018] 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】
[0019] 图1是大截面尺寸构件顶弯装置示意图；
[0020] 图2是单次弯曲的构件受力模型示意图；
[0021] 图3是首次弯曲后构件的变形图；
[0022] 图4是移动单位有效长度并再次弯曲后构件的变形图；
[0023] 图5是所有分段弯曲结束后构件的最终变形图；
[0024] 图6是构件弯曲过程中某截面的应力分布示意图。
[0025] 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；
[0026] 单次顶弯的有效长度；S-支承跨距；S-单次顶弯有效弧段的矢高；A-支承 跨距内的实测变形量；R-设计弯曲半径。
【具体实施方式】
[0027] 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。
[0028] 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W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。W圆钢管的弯制方法为例，具体如下：
[0029] 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ey和 屈服强度Oy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[e]确定构件冷 弯成形时允许产生的最大塑性应变一般最大塑性应eU变取为10倍的屈服应变ey， 且不超过允许塑性应变[e]，即eY= 0. 1e。，e。< [e]。
[0030] 第二步：确定支承跨距。
[0031] 1)在成形过程的承载力极限状态，构件截面最