CN101526810B - 波浪腹板钢拱的一种计算机辅助成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及波浪腹板钢拱的一种计算机辅助成型方法，属于波浪腹板钢拱加工技术领域。其特征在于，在计算机的控制下，依次通过下料、冷弯、均匀腹板辊轧、拱形波浪腹板辊轧、焊接五个阶段可完成拱形波浪腹板的加工。在均匀腹板辊轧与拱形波浪腹板辊轧过程中，分别以均匀波浪腹板的波幅高度和拱形波浪腹板的下波幅高度为控制变量。本发明的优点在于腹板的弯拱成型非常简便，且下料过程极大节约钢材，通过计算机辅助工艺的应用，可以高效精确地完成构件加工。

Description

波浪腹板钢拱的一种计算机辅助成型方法

技术领域

本发明涉及波浪腹板钢拱的一种计算机辅助成型方法，属于波浪腹板钢拱加工技术领域。

技术背景

钢拱结构由于承载力高等优越特性在建筑结构与桥梁结构中有广泛的应用，其拱形构件的制作目前有两种方法，即(1)冷弯或煨弯成型；(2)完全按照设计尺寸下料制作。对于径厚比较小的圆钢管构件，其冷弯成拱形是可行的，但对于大径厚比钢管，冷弯时则易于局部屈曲，其制作方法不可取。对于其它截面形式的构件，如带有腹板的截面(如箱形截面、矩形截面以及工形截面等)，如果采用冷弯或煨弯的方法，要么严重地损害材质性能，要么成型后腹板严重屈曲变形。这是因为将构件冷弯或煨成弧形时，在腹板截面中性轴上下将产生很大的拉压力使其产生塑性变形，这在钢结构加工工艺上完全不能实现。目前，对于按照第一种方法不能成型的截面形式，往往采用按照设计的弧形腹板尺寸进行下料，这一方法将带来较大的边角料不能利用，造成很大浪费。鉴于以上原因，本发明提出一种新的制作工艺，特别是一种新的计算机辅助成型方法，使带有腹板的各种截面易于成型为拱形构件，且加工精度很高，称为波浪腹板钢拱的计算机辅助成型方法。

发明内容

本发明针对一系列带有腹板的拱形构件提出的一种新的方法，特别是一种新的计算机辅助成型方法，成型后的拱形构件的腹板为波浪式，腹板的弯拱成型非常简便，且下料过程极大节约钢材。通过计算机辅助工艺的应用，可以高效精确地完成构件的加工。按照这种成型方法形成的波浪腹板钢拱，其腹板的面外刚度与挺起刚度得到极大的提高，运输安装过程能够稳固安全。

本发明提出的波浪腹板钢拱的一种计算机辅助成型方法，其特征在于，所述方法是在一个由计算机、下料机、均匀的波浪腹板辊轧机、非均匀的波浪腹板辊轧机以及焊接机组成的波浪腹板钢拱计算机辅助成型系统中按以下步骤实现的：

步骤(1)：在所述计算机中设定以下五个控制模块，其中：

第一控制模块为下料模块，控制平腹板和上、下翼缘平板的下料，输入以下设计参数：

1)钢拱的波浪腹板包含的波浪个数n，为设定值；

2)钢拱的波浪腹板的每个波浪的波长l，以钢拱的波浪腹板中轴线计，为设定值；

3)钢拱的波浪腹板设计弧长L，以钢拱的波浪腹板中轴线计，L＝nl；

4)钢拱的波浪腹板高度h₀，为设定值；

5)钢拱的波浪腹板设计曲率半径R，以钢拱的波浪腹板中轴线计，为设定值；

6)钢拱的波浪腹板下料长度s，

其中y表示沿钢拱的波浪腹板侧面方向，x表示沿钢拱的波浪腹板长度方向，f为均匀的波浪腹板的波幅高度，为设定值；

7)钢拱的波浪腹板靠近上翼缘一侧边缘的波幅高度f_t与均匀的波浪腹板波幅高度f的比值的极限值α，为设定值；

8)均匀的波浪腹板的波浪的最小波幅高度为f_min，于是均匀的波浪腹板的波浪的波幅高度f需要满足f＞f_min，f_min可通过下式确定：

${\∫}_0^{l_{\min }}\sqrt{1+{\left[\frac{d\left(f_{\min }\sin (2\mathrm{\πx}/l_{\min })\right)}{\mathrm{dx}}\right]}^2}\mathrm{dx}=s/n$

$l_{\min }=l_{t\max }\frac{R}{R+h_0/2}$

${\∫}_0^{l_{t\max }}\sqrt{1+{\left[\frac{d\left(f_{t\min }\sin (2\mathrm{\πx}/l_{t\min })\right)}{\mathrm{dx}}\right]}^2}\mathrm{dx}=s/n$

f_t min＝αf

式中，l_min为均匀的波浪腹板的波浪的最小波长，l_tmax为钢拱的波浪腹板靠近上翼缘一侧边缘波长的最大值，f_tmin为钢拱的波浪腹板的上波幅高度的最小值；

9)所述钢拱的上翼缘板长度L_ft，

10)所述钢拱的下翼缘板长度L_fd，

11)所述钢拱的上、下翼缘板的宽度b，为设定值；

第二控制模块，为翼缘板冷弯成型模块，控制上、下翼缘平板冷弯成所述钢拱的上、下翼缘板；

第三控制模块，为均匀的波浪腹板辊轧模块，控制平腹板轧制成均匀的波浪腹板；

第四控制模块，为上下非均匀的波浪腹板辊轧模块，控制均匀的波浪腹板轧制成上下非均匀的波浪腹板，输入以下参数：

所述上下非均匀的波浪腹板在靠近下翼缘一侧的加深压痕区域边缘的波长ld，

$l_d=\frac{R-h_0/2}{R}l;$

所述上下非均匀的波浪腹板在靠近下翼缘一侧加深压痕区域边缘的波幅设计高度f_d，按照下述公式计算：

${\∫}_0^{l_d}\sqrt{1+{\left[\frac{d\left(f_d\sin (2\mathrm{\πx}/l_d)\right)}{\mathrm{dx}}\right]}^2}\mathrm{dx}=s/n$

第五控制模块，为焊接模块，用以焊接所述上下非均匀的波浪腹板与所述钢拱的上、下翼缘板；

步骤(2)：第一控制模块为下料模块，控制平腹板和上、下翼缘平板的下料，其步骤如下：

步骤(2.1)：所述计算机向下料机输入三组数据，分别为：s和h₀；L_ft和b；L_fd和b；

步骤(2.2)：下料机根据三组数据，下料形成三块板条：以s和h₀作为下料的长度与宽度，输出给下料机，可以获得一长条平腹板；以L_ft和b作为下料的长度与宽度，可以获得上翼缘平板；以L_fd和b作为下料的长度与宽度，可以获得下翼缘平板；

步骤(3)：第二控制模块控制所述上、下翼缘平板冷弯成拱形板，其步骤如下：

步骤(3.1)：所述计算机调取下述参数传送入冷弯机：钢拱的波浪腹板设计曲率半径R，以钢拱的波浪腹板中轴线计，钢拱的波浪腹板高度h₀；

步骤(3.2)：所述冷弯机根据输入参数，将所述钢拱的上翼缘平板弯曲成曲率半径为R+h₀/2的拱形板，将所述钢拱的下翼缘平板弯曲成曲率半径为R-h₀/2的拱形板，形成所述钢拱的上、下翼缘板；

步骤(4)：第三控制模块控制所述均匀的波浪腹板辊轧机轧制均匀的波浪腹板，其步骤如下：

步骤(4.1)：所述计算机调取下述参数传送入所述均匀的波浪腹板辊轧机：钢拱的波浪腹板包含的波浪个数n，均匀的波浪腹板的波幅高度f；

步骤(4.2)：平腹板通过所述均匀的波浪腹板辊轧机进行辊轧，根据输入参数，以波幅高度为控制参量，一次辊轧形成均匀的波浪腹板，其包含n个波浪，每个波浪的波幅高度为f；

步骤(5)：第四控制模块控制非均匀的波浪腹板辊轧机将所述均匀的波浪腹板轧制成上下非均匀的波浪腹板，其具体步骤如下：

步骤(5.1)：所述计算机调取下述参数传送到所述上下非均匀的波浪腹板辊轧机：钢拱的波浪腹板包含的波浪个数n，钢拱的波浪腹板靠近下翼缘一侧的波幅设计高度f_d；

步骤(5.2)：将均匀的波浪腹板通过所述上下非均匀的波浪腹板辊轧机，以靠近下翼缘一侧的边缘的波幅高度为控制参量，加深靠近下翼缘一侧的波浪压痕，使靠近下翼缘一侧的边缘的波幅高度达到f_d，而靠近上翼缘一侧的波浪压痕自动被拉伸，便形成上下非均匀的波浪腹板；

步骤(6)：第五控制模块控制所述上下非均匀的波浪腹板与所述上、下翼缘板焊接形成所述波浪腹板钢拱，其步骤如下：

步骤(6.1)：按照成型位形对准所述上、下翼缘板与所述上下非均匀的波浪腹板；

步骤(6.2)：自动焊接机沿着所述上、下翼缘板与所述上下非均匀的波浪腹板接触部位进行一次扫描，确定焊接路径；

步骤(6.3)：自动焊接机沿着步骤(6.2)中确定的焊接路径进行焊接，可连接所述上、下翼缘板和所述上下非均匀的波浪腹板，最终形成波浪腹板钢拱。

本发明提出波浪腹板钢拱的一种计算机辅助成型方法，这种方法使得腹板的弯拱成型变得简便，且下料过程极大节约钢材，通过计算机辅助工艺的应用，可以高效精确地完成构件加工。

附图说明

图1为本发明的上、下翼缘板冷弯成型示意图。

图2为本发明的均匀的波浪腹板示意图。

图3为本发明的均匀的波浪腹板局部详图，即图1中A区域的放大图。

图4为本发明的上下非均匀的波浪腹板示意图。

图5为本发明的上下非均匀的波浪腹板局部详图，即图3中B区域的放大图。

图6为本发明的波浪腹板钢拱成型状态示意图。

图7为本发明的波浪腹板钢拱计算机辅助成型方法的流程图。

具体实施方式

本发明提出的波浪腹板钢拱的一种计算机辅助成型方法，其计算机辅助控制系统分五个控制模块，分别对应波浪腹板成型的五个步骤。首先在第一控制模块即下料模块中按照特定的尺寸下料获得平腹板和上、下翼缘平板，再在第二控制模块中将上、下翼缘平板冷弯成钢拱的上、下翼缘板，在第三控制模块中将平腹板辊轧成均匀的波浪腹板，再在第四控制模块中把均匀的波浪腹板辊轧成上下非均匀的波浪腹板，将靠近下翼缘一侧区域的波浪压痕加深，则靠近上翼缘一侧区域的波浪压痕自动被拉长，这样腹板便自动形成拱形，最后在第五控制模块中焊接上、下翼缘板和上下非均匀的波浪腹板，最终获得波浪腹板钢拱。加工过程各步骤均是在计算机控制下完成的。

下面结合附图1～7具体说明辅助成型步骤：

1)编制计算机控制模块，并与下料机、冷弯机、特制的辊轧机和自动焊接机连接，形成辅助成型操作平台。计算机控制模块分五块：第一控制模块，第二控制模块，第三控制模块，第四控制模块，第五控制模块。

2)第一控制模块为下料模块。

输入参数包括：钢拱的波浪腹板包含的波浪个数n，钢拱的波浪腹板的每个波浪波长(以该腹板的中轴线计)l，钢拱的波浪腹板高度h₀，均匀的波浪腹板的波幅高度f，钢拱的波浪腹板的设计曲率半径(以该腹板中轴线计)R，钢拱的波浪腹板的上波幅高度与均匀的波浪腹板波幅高度f的比值的最小值α；通过计算得到钢拱的波浪腹板的设计弧长(以该腹板中轴线计)L＝nl；

均匀的波浪腹板波幅高度f存在最小限值，通过下述方法确定：

当钢拱的波浪腹板的弯曲达到设计曲率半径R(以该腹板的中轴线计)时，若此时钢拱的波浪腹板在靠近上翼缘一侧边缘的波幅高度ft与均匀的波浪腹板波幅高度f的比值达到最小值α，则钢拱的波浪腹板在靠近上翼缘一侧边缘的波幅高度的最小值f_tmin为：

f_t min＝αf

通过求解下列方程得到此时钢拱的波浪腹板在靠近上翼缘一侧边缘的波长，其达到最大值l_tmax：

${\∫}_0^{l_{t\max }}\sqrt{1+{\left[\frac{d\left(f_{t\min }\sin (2\mathrm{\πx}/l_{t\min })\right)}{\mathrm{dx}}\right]}^2}\mathrm{dx}=s/n$

通过比例关系，获得均匀的波浪腹板波长的最小值l_min为：

$l_{\min }=l_{t\max }\frac{R}{R+h_0/2}$

通过求解下列方程得到均匀的波浪腹板波幅的最小值f_min为：

${\∫}_0^{l_{\min }}\sqrt{1+{\left[\frac{d\left(f_{\min }\sin (2\mathrm{\πx}/l_{\min })\right)}{\mathrm{dx}}\right]}^2}\mathrm{dx}=s/n$

在输入参数时，需要确保，f＞f_min。

由计算机通过数值计算可以得到平腹板与上、下翼缘平板的下料尺寸：

平腹板的下料长度其中

上翼缘平板的长度L_ft，

下翼缘平板的长度L_fd，上、下翼缘平板的宽度b。

以s和h₀作为下料的长度与宽度，输出给下料机，可以获得一长条平腹板；以L_ft和b作为下料的长度与宽度，输出给下料机，可以获得上翼缘平板；以L_fd和b作为下料的长度与宽度，输出给下料机，可以获得下翼缘平板。

3)第二控制模块为为上、下翼缘板冷弯成型模块：

如图1所示，输入参数包括：钢拱的波浪腹板的设计曲率半径R，以该腹板的中轴线计，钢拱的波浪腹板高度h₀。

将上翼缘平板和下翼缘平板分别通过冷弯机，将上翼缘平板弯曲成曲率半径为R+h₀/2的拱形板，将下翼缘平板弯曲成曲率半径为R-h₀/2的拱形板，便形成所述钢拱的上、下翼缘板。

4)第三控制模块为均匀的波浪腹板辊轧模块：

如图2～3所示，输入参数包括：钢拱的波浪腹板包含的波浪个数n，均匀的波浪腹板的波幅高度f。

将参数输出给特制的均匀波浪腹板辊轧机，以波幅高度作为控制变量，平腹板通过均匀波浪腹板辊轧机进行辊轧，可以一次辊轧成均匀的波浪式腹板，其包含n个波浪，每个波浪的波幅高度为f。

5)第四控制模块为上下非均匀的波浪腹板辊轧模块：

输入参数包括：钢拱的波浪腹板设计曲率半径(以该腹板的中轴线计)R。

通过计算获得以下参数：如图4～5所示，根据比例关系，上下非均匀的波浪腹板在靠近下翼缘一侧的加深压痕区域边缘的波长

根据总长不变原则，通过求解下列方程可以获得钢拱的波浪腹板靠近下翼缘一侧加深压痕区域边缘的波幅设计高度f_d：

${\∫}_0^{l_d}\sqrt{1+{\left[\frac{d\left(f_d\sin (2\mathrm{\πx}/l_d)\right)}{\mathrm{dx}}\right]}^2}\mathrm{dx}=s/n$

将参数输出给特制的上下非均匀波浪式腹板辊轧机，以靠近下翼缘一侧区域边缘的波幅高度作为控制变量，加深靠近下翼缘一侧区域的波浪压痕，使靠近下翼缘一侧的边缘的波幅高度达到fd，则沿上翼缘一侧区域的波浪压痕自动被拉长，这样会自动形成上下非均匀的波浪腹板，完成钢拱的波浪腹板的加工。

6)第五控制模块为焊接模块：

首先按照成型位形将上、下翼缘板与钢拱的波浪腹板进行对位，然后自动焊接机沿着上、下翼缘板与钢拱的波浪腹板的接触部位进行一次扫描，确定焊接路径，然后自动焊接机沿着焊接路径进行焊接，可连接上、下翼缘板和钢拱的波浪腹板，最终形成波浪腹板钢拱，如图6所示。

上述成型步骤流程图见图7。

Claims (1)

1.波浪腹板钢拱的一种计算机辅助成型方法，其特征在于，所述方法是在一个由计算机、下料机、均匀的波浪腹板辊轧机、上下非均匀的波浪腹板辊轧机以及焊接机组成的波浪腹板钢拱计算机辅助成型系统中按以下步骤实现的：

步骤(1)：在所述计算机中设定以下五个控制模块，其中：

第一控制模块为下料模块，控制平腹板和上、下翼缘平板的下料，输入以下设计参数：

1)钢拱的波浪腹板包含的波浪个数n，为设定值；

2)钢拱的波浪腹板的每个波浪的波长l，以钢拱的波浪腹板中轴线计，为设定值；

3)钢拱的波浪腹板设计弧长L，以钢拱的波浪腹板中轴线计，L＝nl；

4)钢拱的波浪腹板高度h₀，为设定值；

5)钢拱的波浪腹板设计曲率半径R，以钢拱的波浪腹板中轴线计，为设定值；

6)钢拱的波浪腹板下料长度s，

其中y表示沿钢拱的波浪腹板侧面方向，x表示沿钢拱的波浪腹板长度方向，f为均匀的波浪腹板的波幅高度，为设定值；

7)钢拱的波浪腹板靠近上翼缘一侧边缘的波幅高度f_t与均匀的波浪腹板波幅高度f的比值的极限值α，为设定值；

8)均匀的波浪腹板的波浪的最小波幅高度为f_min，于是均匀的波浪腹板的波浪的波幅高度f需要满足f＞f_min，f_min可通过下式确定：

${\∫}_0^{l_{\min }}\sqrt{1+{\left[\frac{d\left(f_{\min }\sin (2\mathrm{\πx}/l_{\min })\right)}{\mathrm{dx}}\right]}^2}\mathrm{dx}=s/n$

$l_{\min }=l_{t\max }\frac{R}{R+h_0/2}$

${\∫}_0^{l_{t\max }}\sqrt{1+{\left[\frac{d\left(f_{t\min }\sin (2\mathrm{\πx}/l_{t\min })\right)}{\mathrm{dt}}\right]}^2}\mathrm{dx}=s/n$

                f_t min＝αf

式中，l_min为均匀的波浪腹板的波浪的最小波长，l_tmax为钢拱的波浪腹板靠近上翼缘一侧边缘波长的最大值，f_tmin为钢拱的波浪腹板的上波幅高度的最小值；

9)所述钢拱的上翼缘板长度L_ft，

10)所述钢拱的下翼缘板长度L_fd，

11)所述钢拱的上、下翼缘板的宽度b，为设定值；

第二控制模块，为翼缘板冷弯成型模块，控制上、下翼缘平板冷弯成所述钢拱的上、下翼缘板；

第三控制模块，为均匀的波浪腹板辊轧模块，控制平腹板轧制成均匀的波浪腹板；

第四控制模块，为上下非均匀的波浪腹板辊轧模块，控制均匀的波浪腹板轧制成上下非均匀的波浪腹板，输入以下参数：

所述上下非均匀的波浪腹板在靠近下翼缘一侧的加深压痕区域边缘的波长l_d， $l_d=\frac{R-h_0/2}{R}l;$

所述上下非均匀的波浪腹板在靠近下翼缘一侧加深压痕区域边缘的波幅设计高度f_d，按照下述公式计算：

${\∫}_0^{l_d}\sqrt{1+{\left[\frac{d\left(f_d\sin (2\mathrm{\πx}/l_d)\right)}{\mathrm{dx}}\right]}^2}\mathrm{dx}=s/n$

第五控制模块，为焊接模块，用以焊接所述上下非均匀的波浪腹板与所述钢拱的上、下翼缘板；

步骤(2)：第一控制模块为下料模块，控制平腹板和上、下翼缘平板的下料，其步骤如下：

步骤(2.1)：所述计算机向下料机输入三组数据，分别为：s和h₀；L_ft和b；L_fd和b；

步骤(2.2)：下料机根据三组数据，下料形成三块板条：以s和h₀作为下料的长度与宽度，输出给下料机，可以获得一长条平腹板；以L_ft和b作为下料的长度与宽度，可以获得上翼缘平板；以L_fd和b作为下料的长度与宽度，可以获得下翼缘平板；

步骤(3)：第二控制模块控制所述上、下翼缘平板冷弯成拱形板，其步骤如下：

步骤(3.1)：所述计算机调取下述参数传送入冷弯机：钢拱的波浪腹板设计曲率半径R，以钢拱的波浪腹板中轴线计，钢拱的波浪腹板高度h₀；

步骤(3.2)：所述冷弯机根据输入参数，将所述钢拱的上翼缘平板弯曲成曲率半径为R+h₀/2的拱形板，将所述钢拱的下翼缘平板弯曲成曲率半径为R-h₀/2的拱形板，形成所述钢拱的上、下翼缘板；

步骤(4)：第三控制模块控制所述均匀的波浪腹板辊轧机轧制均匀的波浪腹板，其步骤如下：

步骤(4.1)：所述计算机调取下述参数传送入所述均匀的波浪腹板辊轧机：钢拱的波浪腹板包含的波浪个数n，均匀的波浪腹板的波幅高度f；

步骤(4.2)：平腹板通过所述均匀的波浪腹板辊轧机进行辊轧，根据输入参数，以波幅高度为控制参量，一次辊轧形成均匀的波浪腹板，其包含n个波浪，每个波浪的波幅高度为f；

步骤(5)：第四控制模块控制非均匀的波浪腹板辊轧机将所述均匀的波浪腹板轧制成上下非均匀的波浪腹板，其具体步骤如下：

步骤(5.1)：所述计算机调取下述参数传送到所述上下非均匀的波浪腹板辊轧机：钢拱的波浪腹板包含的波浪个数n，钢拱的波浪腹板靠近下翼缘一侧的波幅设计高度f_d；

步骤(5.2)：将均匀的波浪腹板通过所述上下非均匀的波浪腹板辊轧机，以靠近下翼缘一侧的边缘的波幅高度为控制参量，加深靠近下翼缘一侧的波浪压痕，使靠近下翼缘一侧的边缘的波幅高度达到f_d，而靠近上翼缘一侧的波浪压痕自动被拉伸，便形成上下非均匀的波浪腹板；

步骤(6)：第五控制模块控制所述上下非均匀的波浪腹板与所述上、下翼缘板焊接形成所述波浪腹板钢拱，其步骤如下：

步骤(6.1)：按照成型位形对准所述上、下翼缘板与所述上下非均匀的波浪腹板；

步骤(6.2)：自动焊接机沿着所述上、下翼缘板与所述上下非均匀的波浪腹板接触部位进行一次扫描，确定焊接路径；

步骤(6.3)：自动焊接机沿着步骤(6.2)中确定的焊接路径进行焊接，可连接所述上、下翼缘板和所述上下非均匀的波浪腹板，最终形成波浪腹板钢拱。

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