【隐式显式切换】Abaqus双曲线辊矫直机

作为“基建狂魔”，当前我国每年脚手架工程总费用已达5000亿元以上，体量十分巨大，但同时，脚手架坍塌事故也频频发生，几乎每个月都有。调查显示，脚手架坍塌事故中材料质量问题是最常见原因之一，其中就包括使用劣质、不合格的钢管。

脚手架坍塌事故

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  01. 脚手架钢管调直机  

脚手架行业里有一种奇葩机器叫“脚手架钢管调直除锈刷漆一体机”，它的作用是把弯曲变形的脚手架钢管调直，以重复使用，因为施工要求对脚手架钢管的直线度有明确规定，这种机器就出现了。

脚手架钢管调直机

现在这种调直机在脚手架租赁圈十分抢手，很多租赁站为了节省成本，用它来“修复”各种弯管，由于它也有刷漆功能，只要你愿意，调直后的钢管看起来可以像新的。

我国的脚手架钢管年产量近1000万吨，存量达几千万吨。有关专家在《我国建筑施工脚手架坍塌事故分析》中指出，劣质、超期使用和壁厚不合格的钢管占80%以上，扣件总量有10亿个～12亿个，其中90%左右为不合格产品。

搜狐网·建设施工安全·分享文章《应建立脚手架质量安全追溯体系》

尽管网上已经有不少人在质疑这种调直机，呼吁监管部门介入调查，但是目前来看，它仍然畅销，而且主要销往脚手架租赁站。

使用调直后的钢管搭设脚手架有很大的安全隐患，想必有力学或材料学常识的人都自然明白。小编知道人微言轻，在这里说几句不能改变什么，这篇文章只是想通过数值模拟得到的结论来支持一下这些有良知的质疑声音。

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  02. 调直机原理  

脚手架钢管调直机又叫双曲线辊矫直机，最早由苏联人设计，辊轮是双曲线的回转体，在轴线夹角合适的情况下，理论上能与钢管完美贴合，通过几组成对出现的辊轮碾压，可以使弯管发生塑性变形，将其“捻”成直管。

双曲线辊原理

在一些对管道直线度要求比较高的行业，可以用双曲线辊矫直机来解决管道生产过程中的微小弯曲问题，比如一些油气管道的生产，就需要用到它或者其他更先进的调直机，因为直线度将直接影响管箍的加工、对接，以及管道工作状态下的变形。

双曲线辊矫直机

实际调直过程中，双曲线辊和钢管接触起作用的区域是辊轮的中部和两端。有的机器每个辊可以绕自身轴向旋转，这种调直精度高，造价也比较高；有的机器所有辊同时绕一个公共轴转动，调直精度差，造价低廉，脚手架钢管调直机上用的就是这种。

两类双曲线辊矫直机

本公众号早期提供的案例中，其中一个就与双曲线有关，在公众号菜单栏的“福利区”可以找到inp文件下载。

棉签的包络面为双曲线回转体

由于双曲线回转体结构的一些特殊性质，在很多现代建筑或工业冷却塔上也能看到它的影子，这方面有机会再展开介绍。

双曲线回转体结构

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  03. 钢管调直的数值模拟与虚拟试验  

脚手架钢管材料为Q235钢，材料描述定义为弹性+塑性+韧性损伤+损伤演化，在前4个分析中，使用Abaqus分析连续性技术将钢管的材料状态（应力、应变、损伤等）在Explicit和Standard之间传递，在开始时做一个具有较大塑性变形的弯管（有凹陷），最终用它来获得一个包含前工序影响的调直管。

在第5个分析中，利用这个调直管进行抗压测试（存在侧向力），并在工况完全一致的情况下与新管的承载能力进行对比。

前4个分析材料状态的传递

第3个分析-调直过程（18秒-2米）

计算结果表明，调直过程会导致钢管刚度折减区域扩大，可以通过SDEG来观察到这一现象，另外局部壁厚也会发生变化。

调直过程钢管SDEG变化

第5个分析使用显式准静态方法计算钢管的抗压性能，结果表明，调直后的钢管在虚拟抗压试验中表现很差，与新管相比，几乎丧失掉一半的抗压能力。

第5个分析-调直管与新管的抗压测试对比

理论上讲，对于已发生较小塑性应变的钢管（弯曲后整体平滑），使用这种机器调直可以在一定程度上增大其屈曲时的临界失稳载荷，这也是它存在的全部意义。然而，即便如此，也要谨慎使用，因为这种廉价机器也会带来的肉眼不易发觉的几何缺陷（例如仿真观察到钢管的厚度变化和外壁表面节点偏移），抵消掉它仅有的优点。

可以确定地说，对于大塑性应变的情况（弯管局部凹陷、屈曲失稳），调直后再次使用会非常危险。但是现在来看，租赁站的一部分工人在使用的时候，面对这个“神奇”的机器很亢奋，已经到了“见弯就调”的地步，甚至有裂纹的弯管也不放过，调直后租给建筑施工队的另一帮工人。

鉴于这种东西已经大量进入市场，因果的维度里面，坍塌和责任人被处理事件发生的概率已经陡增，在时间的维度里坍缩为现实之前，有关部门得管一管，也许能挽救不少家庭。