H型钢矫直原理及局限性

H型钢是一种高效经济型材，具有力学性能优良、断面经济合理，造型美观、便于安装等优点。因此，广泛应用于建筑、铁路桥梁、近海勘探、石油化工等行业，成为了国民经济建设中人力推广的新型绿色环保材料。
矫直是H型钢生产过程中一道重要的精整工序，决定着产品的终质量和精度。随着生产规模的扩大以及用户对产品质量要求的提高，矫直技术在H型钢生产中的作用越来越重要。然而，H型钢的多辊矫直是一个相当复杂的过程，涉及到几何、材料、接触等多重非线性，传统矫直理论无法对此类构件的矫直过程给出的描述。而实际生产中迫切需要的矫直理论来指导生产，以提高产品质量，增强竞争力。结合国内外研究现状，提出从矫直变形机理、初始弯曲程度、残余应力及有限元仿真技术应用等方面对H型钢矫直技术展开深入研究的思想，以寻求适用于H型钢这类薄壁构件的矫直理论。
1.H型钢矫直原理
H型钢在加热、轧制、冷却以及传输过程中，常因外力作用、温度变化等原因，不可避免地在轧件中产生几何缺陷和残余应力。因此，轧制冷却后的H型钢需要在矫直机上进行矫直，以符合产品标准。
H型钢的多辊矫直原理
金属材料在较大的弹塑性弯曲条件下，不管其原始弯曲程度有多大区别，弹复后所残留的弯曲程度差别都会显著减小、甚至会趋于一致。随着压弯程度的逐步减小，其弹复后残留弯曲必然会一致趋近于零值而达到矫直的目的。利用这一特性，可对H型钢进行多辊矫直，每3个相邻的矫直辊形成对H型钢的一次强迫弯曲，称为一个矫直单元或弯曲单元；以九辊矫直机为例，当轧件通过上下两排交错配置的矫直辊组成的辊缝时，共经受7次反复弯曲而逐渐被矫直。
按照矫直辊所采用压下量的人小和终消除残余曲率的方法，对H型钢的矫直可以分为小变形方案和大变形方案两种。小变形矫直方案是指，每个矫直辊所采用的压下量恰好能消除前一辊子对轧件所形成的残余曲率，从而使轧件的残余曲率逐渐减小的矫直方案。大变形矫直方案则是按照尽量减小第三辊处残余曲率的原则，采用比小变形矫直方案大得多的压下量使轧件产生足够人的弯曲，使得H型钢经过3个矫直辊后的残余曲率差迅速减小，后面的辊子接着采用小变形矫直方案。
2.传统H型钢矫直理论的局限性
H型钢属于典型的薄壁高腿异形构件，其矫直机理既不同于薄带材，又有异于具有较大厚度和横向刚度的一般型钢，采用传统的矫直理论来描述H型钢在多辊矫直过程中的力学行为具有一定的局限性。
(1)H型钢的多辊矫直过程，是一个连续反复弹塑性弯曲的复杂过程，按传统理论求解构件整体弯曲时，因很难得出多支点、弹塑性、静不定条件下的解而采用了过多的近似和简化。
(2)传统矫直理论都是基于原始曲率已知这一前提来计算反弯曲率、设置矫直工艺参数。实际生产中轧件的初始曲率是随机、多值的，这样，采用按传统理论求得的工艺参数进行矫直时，不易取得理想的矫直效果。
(3)传统矫直理论未考虑构件经前置工序和前部矫直辊后所产生的变形和残余应力的影响，实际上此类构件的变形受遗传行为的影响较大。
(4)根据H型钢断面结构特点，矫直时采用辊子直接压弯腹板来引起整体弹塑性变形的加载方式，矫直力主要作用于刚度较小的腹板上。这种加载方式和断面结构特点所导致的载荷沿横截面的特殊传递路径，决定了其矫直工艺参数和终几何形态对初始弯曲程度、残余应力及加工工艺具有高度的敏感性。
(5)H型钢的断面力学特性复杂，矫直过程中存在断面畸变现象，影响了工艺参数的设定及控制。传统理论着重考虑构件的整体变形行为，忽略了断面畸变的影响，这样得到的结果对非薄壁构件影响较小，但是对于H型钢这类薄壁构件，断面畸变不能忽视。