钢筋桁架角折弯机构的设计与分析

徐良凯，李东波，安永乐

(南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094)

钢筋桁架角折弯机构的设计与分析

徐良凯，李东波，安永乐

(南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094)

为了提高钢筋桁架角折弯的效率，降低劳动强度，设计了一款钢筋桁架腹筋自动折弯机构。首先应用CATIA软件建立三维实体模型，然后利用ABAQUS软件对其进行准静态的分析计算，分析钢筋桁架成型过程应力和应变情况，验证了折弯成型有效性。结果表明钢筋桁架角折弯机构符合设计要求，为钢筋桁架角折弯机构关键部件的设计提供了重要依据，并为后续设计奠定了基础。

折弯;设计;有限元分析;ABAQUS

1 地角折弯机构的设计

钢筋桁架在现代建筑领域的应用非常广泛，如房屋、桥梁、铁路等，其结构参数都已标准化(详细请参阅中华人民共和国建筑工业行业标准JG/T 368－2012)。其成品具体结构如图1、图2所示，钢筋桁架腹筋角折弯之前结构如图3所示，其中上弦钢筋和旁边两根腹杆钢筋焊接在一起，两根下弦钢筋分别和两根腹杆钢筋焊接在一起，腹筋角折弯是在焊接后进行。地角折弯结构就是将图3中的腹杆钢筋波谷部分折成图1、图2所示形状［1］。当然钢筋桁架自动生产线包括很多机构，其中前后分别是步进机构和焊接机构，两机构在地角折弯时具有一定的约束定位作用，这更有利于地角折弯机构工作，使定位约束更加稳固。

图1 成品立面图

图2 成品剖面图

图3 成型前立面图

为了满足以上要求，研究设计的地角折弯机构是通过气缸来回推动压爪，使压爪来回转动，从而实现腹杆钢筋(简称腹筋)波谷的折弯(也叫地角折弯)，详细如图4所示。在设计时，考虑到钢筋桁架的横向宽度比较小，压爪需要转动的角度比较大，需要将压爪按图4所示那样弯曲设计，使下面的气缸有安装空间，压爪有运动空间。图4中静模固定在立柱上，静模内端设计成几段弧形，可以很好地约束下弦钢筋往两边和下面运动。本设计结构简单，两边对称性强。

图4 地角折弯机构三维实体模型

在整个机构框架设计好之后，需要确定气缸的行程和拉力。对于气缸的行程，通过CATIA自带的运动仿真技术，分析得到行程H=113mm，取H=130mm，运动分析中，气缸的推与拉实现了压爪的来回旋转，从而达到折弯的效果。下面研究的重点就是确定折弯腹筋波谷气缸需要提供多大的拉力，可以先计算压爪所需要的最大扭矩，再计算所需最大拉力。本文采用有限元技术进行求解，不仅可以直观地看到成型效果，还能为钢筋桁架角折弯机构关键部件的设计提供重要依据。

2 地角折弯机构的有限元分析

本文采用ABAQUS软件进行有限元分析，它对工程模拟仿真的功能非常强大［2］，特别是能分析接触类的非线性问题，而本文分析的重点就是解决压爪折弯腹筋波谷成型的多个接触问题，所以选用此软件进行分析。

2.1 几何模型的建立

在建立有限元模型前，先建立合理的几何模型，具体如图5所示。由于压爪只有上半部分与腹筋接触，所以下半部分可以省略。由以上分析可知，钢筋桁架和地角折弯机构为左右对称结构，所以只需一半即可;钢筋桁架一整段很长，而真正折弯时一个压爪一次只能折弯一个腹筋波谷，所以只需选择一个周期的波即可。通过上面的简化可以将有限元模型的规模大大减小。在腹筋角折弯机构前面是焊接专机，它对整个钢筋桁架有支撑和下压作用，分别用1和2表示;在腹筋角折弯机构后面是步进机构，作用是将刚刚成型的钢筋桁架往后运送，以对下一个腹筋波谷折弯，在成型时，它对整个钢筋桁架只起支撑作用，用3表示。

图5 有限元几何模型

2.2 有限元模型的建立

a．材料特性。

钢筋的材料是HRB400，查阅手册知:密度ρ=7.85×103kg/m3，弹性模量 E=2.0 ×105MPa，泊松比ν=0．3，塑性参数见表1。

表1 钢筋塑性参数

b．分析步的设置。

由于本分析属于塑性成形分析，所以是准静态分析类型［3］，在ABAQUS的step中做相应的定义，分析时间设为0.4s，放大系数设为50。历史变量输出选择S(应力)、U(应变)、PEEQ(等效塑性应变)。

c．接触的设置。

建模的难点之一是钢筋桁架上下弦筋与腹筋的焊接模拟，理论上有两种理解方法:第一种是两个面粘结在一起，可以采用面与面的耦合方式实现;第二种是可以将两个面分别和面与面之间的点集粘结在一起，可以采用两个面对同一参考点的耦合方式实现。本文采用第一种方法定义接触面，比如下弦筋和静模之间，上下弦筋和支撑面之间等等。为了缩减计算时间，分别将压爪、两个支撑面、下压面、静模定义成刚体，它们暂时并不是分析的重点，而且变形也很小，所以是可行的［4］。

d．网格划分。

对几何模型离散化——划分网格是分析准确度的关键。先设置全局种子为5，再全局自动划分网格，接触和变形大的局部区域要细化［5］，单元类型选择线性减缩积分单元C3D8R，具体的网格模型如图6所示。

图6 网格模型

e．边界条件。

边界条件的确定也是建模的难点，由于钢筋桁架是左右对称的，所以在其对称面定义对称边界条件，对称面如图5所示:两个支撑面和下压面全部固定，静模也固定，压爪逆时针旋转0.5rad。最后提交分析计算。

3 结果分析

地角折弯机构有限元分析的结果如图7所示，从应力云图中可以看出，最大的局部应力达到635MPa。图8所示是关于等效塑性应变的分布图，从图中可以看到最大的塑性应变达到0.287 3，超过0.16的部分将变成理想弹塑性体。图9、图10所示是局部图，显示塑性应变超过0.16(或者局部应力达到635MPa的单元)，用灰白色表示。从图9和图10中可以看出只是局部表面达到635MPa，内部还是完好的，所以从成型效果来看，此结构是可行的。图11所示是将压爪变成柔体的情况，此时计算出压爪的局部接触应力达到130MPa(应力云图中最大应力显示的是由于点面耦合产生的局部应力集中，并不是接触的局部应力)，远小于屈服极限355MPa，说明并没有出现非常大的局部接触应力，压爪的形状设计是合理的，结构也是安全的。

图7 应力云图

图8 等效塑性应变图

图9 局部等效塑性应变下侧图

图10 局部等效塑性应变上侧图

图11 柔体压爪局部接触应力云图

为了确定气缸的型号，需知道压爪的反作用扭矩，压爪的反作用扭矩随时间变化情况如图12所示，图中单位是N·mm，横坐标表示时间，纵坐标表示反作用扭矩，可以得知最大扭矩 Tmax=550N·m。根据出现的时间可以知道，在0.20s～0.24s出现最大值，由于在这个时间段里角度变化不大，取0.22s时的位置进行计算，其简化结构受力图如图13所示，将原模型简化为5连杆机构，图中阻力矩RM作用于压爪连杆上，其固定铰支点到连杆距离为L，驱动力F施加在连杆上。通过对三维模型角度和力臂测量可知，θ=44°，力臂L=116.3mm，所以根据平面力偶平衡公式可得:

式中F是气缸拉力，可计算出F=6 803.73N。所以选择气缸拉力为7.5kN，行程最大800mm、最小80mm的法兰固定式气缸［6］。

图12 扭矩随时间变化图

图13 简化结构受力图

4 结束语

本机构的设计在节省劳动力的同时，质量也得到充分的保证，为钢筋桁架加工制造装备的发展起到一定的促进作用。结构在设计过程中没有忽略理论的角度，而是通过发展比较成熟的有限元技术进行了分析验证，得到的结果无论从运动学的角度、成型效果的角度还是局部应力的角度来评价，此结构的设计都是合理的。若要对本课题进一步研究，需要从样机试制角度，对其工艺、装配等作进一步论述，以满足结构方面的要求。

［1］ 田野，元琳琳，李延云.钢筋桁架的全自动生产过程［J］.机械工程与自动化，2011(2):198－199.

［2］ 连昌伟，王兆远，杜传军，等.ABAQUS后处理二次开发在塑性成形模拟中的应用［J］.锻压技术，2006(4):111－114.

［3］ 张国丽，苏军.基于ABAQUS的钢筋混凝土非线性分析［J］.科学技术与工程，2008，8(20):5621 －5623.

［4］ 潘新安，苏学成，李华，等.有限元前处理的研究与应用［J］.煤矿机械，2007，28(4):68 －70.

［5］ 钟佩思，辛纪光，刘凤景，等.基于Hypermesh的中型货车车架有限元分析与优化［J］.煤矿机械，2009，30(4):6 －8.

［6］ 机械设计实用手册编委会.机械设计实用手册［M］.北京:机械工业出版社，2010.

Design and Analysis of Bending Institutions for Steel Bar Truss

XU Liangkai，LI Dongbo，AN Yongle
(Nanjing University of Science and Technology，Jiangsu Nanjing，210094，China)

In order to improve efficiency and reduc the labor intensity for bending machine，designs the automatic bending Institutions for steel bar truss.It builds the 3D model of this institutions based on CATIA，analyzes the static mechanics features in ABAQUS，describes the stress and strain for bending bar stuss process，verifies the effectiveness of bending forming model.This provides the design base of key parts of bending machine.

Bendiing;Design;Finite Element Analysis;ABAQUS

TH133;TG502

A

2095－509X(2013)12－0006－04

10.3969/j.issn.2095－509X.2013.12.002

2013－07－30

徐良凯(1989—)，男，江苏盐城人，南京理工大学硕士研究生，主要研究方向为有限元分析与机械设计。