博士論文-板帶軋機數值仿真技術基礎及應用研究

1、博士論文-板帶軋機數值仿真技術基礎及應用研究 【摘要】： 本文以國家自然科學基金和寶鋼聯(lián)合資助項目“板材軋制過程中有限元高速在線算法基礎”,國家科技支撐計劃課題“大型軋機共性技術研究”和中信重工機械有限責任公司課題“1100雙機座可逆式HC軋機軋制工藝參數研究”為研究背景,通過理論分析和試驗研究,結合實際軋制生產過程,對板帶軋制過程數值仿真技術基礎及應用進行了深入的研究,為板帶軋制過程在線控制模型的研究和優(yōu)化提供了理論基礎。本文主要研究工作如下: 基于能量變分原理,考慮剪切變形影響,建立了離散塊元高速仿真模型。為了使模型得以在線應用,在大量有限元仿真的基礎上,研究了不同參數對為考慮剪

2、切變形而引入的剪切變形因數的影響,并以此為基礎,建立了剪切變形因數的BP神經網路模型。離散塊元高速仿真模型在保證工程精度的前提下0.5秒可以完成五道次的計算,可在線應用。該研究成果在中信重型機械公司的1100 mm雙機架可逆式HC軋機軋制工藝參數設定中獲得了應用,并取得很好的效果。 為解決板帶軋制過程中有限元法在線應用問題,采用摩擦元模型處理軋輥與板帶之間接觸摩擦問題,考慮多重非線性,建立了彈塑性有限元模型,在非線性有限元的求解過程中采用波前法、部分組裝技術和一次迭代法,對模型在單元劃分方面進行了研究,確定了適應于在線應用要求的該有限元模型單元數目選取規(guī)則和單元劃分原則,建立了可應用于在線的快

3、速有限元模型。為了對該快速有限元模型進行驗證,在實驗室二輥試驗軋機上開展了軋制試驗。并將快速有限元模型的仿真結果與生產數據、試驗數據和Marc仿真結果進行了對比,吻合較好,驗證了模型的計算精度。單道次計算時間可以在0.1秒內完成,滿足在線應用需求。該成果對深入研究冷熱態(tài)連軋過程在線控制具有重要實際意義。 考慮軋輥與板帶之間摩擦介質作用,對大型有限元軟件Marc進行了二次開發(fā),把摩擦元理論引入到Marc中,對摩擦元的二元修正系數進行了研究,確定了其合理的取值規(guī)則和范圍。仿真結果與實測數據進行了對比,吻合較好,驗證了模型的正確性,該成果對板帶軋制摩擦介質屬性和摩擦邊界條件處理具有指導意義。通過對M

4、arc二次開發(fā),使摩擦元理論在大型有限元軟件中得到了推廣和應用,并以此為基礎分別建立了軋輥為彈性和剛性的二維、三維彈塑性有限元模型,對摩擦元修正系數在計算精度上的影響進行了研究,得到了摩擦元的二元修正系數的合理的取值規(guī)則和范圍。為了驗證模型,在300可逆冷帶實驗軋機組開展了板帶軋制試驗。利用試驗參數、某廠2030 mm冷連軋機組參數和1420 mm冷連軋機組的實際參數,建立了帶摩擦元的有限元模型,并對板帶軋制過程進行了仿真,模型計算結果與實測值進行了對比,吻合較好,驗證了模型的正確性和適應性。 為深入研究板帶軋制過程的在線控制模型,基于某1420 mm冷連軋機組的六輥軋機實際參數和本文研究的模

5、型,建立了板帶軋制過程帶摩擦層的有限元模型,并對板帶軋制過程中軋件塑性剛度和軋機剛度特性進行了深入研究,得到了不同參數的影響規(guī)律。 為深入研究板帶軋制過程軋件和軋輥變形機理、分析板帶軋機的板形板厚控制特性,以大型有限元軟件Marc為平臺,利用Visual Basic 6.0可視化編程語言開發(fā)了板帶軋制過程板形板厚有限元集成仿真分析系統(tǒng)。【關鍵詞】：板帶軋制 快速有限元 能量變分 摩擦元 Marc二次開發(fā) 塑性剛度 橫向剛度 【學位授予單位】：燕山大學【學位級別】：博士【學位授予年份】：2010【作者】：王貴國【付費索取全文】Q聯(lián)系Q：138113721 Q聯(lián)系Q:139938848【目錄】：

6、· 摘要4-6· Abstract6-14· 第1章 緒論14-36· 1.1 課題研究背景14-15· 1.2 板帶軋制在線模型研究進展15-21· 傳統(tǒng)數學模型及研究進展15-19· 軋制過程人工智能模型應用進展19-20· 軋制過程有限元快速模型研究進展20-21· 1.3 有限元在軋制過程的應用21-26· 剛塑性有限元法22-24· 彈塑性有限元法24-26· 1.4 摩擦模型研究進展及板帶軋制中的應用26-33· 摩擦模型概述26-30· 有限

7、元中摩擦問題處理30-33· 1.5 研究意義及研究內容33-36· 選題意義33-34· 課題來源34· 主要研究內容34-36· 第2章 非線性有限元法及摩擦元基本理論36-64· 2.1 引言36-37· 2.2 非線性有限元法37-48· 有限元法的基本思想37· 彈塑性本構關系37-45· 非線性有限元法的求解過程45-48· 2.3 非線性方程組求解方法48-60· 迭代法(總載荷法)49-52· 增量法(逐步法)52-55· 混合法(逐步迭代

8、法)55-58· 幾種解法比較58· 迭代收斂判據與增量步長選擇58-60· 2.4 摩擦元力學模型及基本理論60-63· 摩擦元力學模型60-62· 摩擦元理論及二元修正62-63· 2.5 本章小結63-64· 第3章 板帶軋制過程快速仿真模型研究64-101· 3.1 離散塊元高速仿真模型研究64-70· 基本原理及公式64-65· 軋輥壓扁半徑65-66· 加工硬化模型66· 模型建立66-70· 3.2 剪切變形因數BP 網絡模型70-83· B

9、P 神經網絡原理及算法簡介70-76· 剪切變形因數影響因素分析76-81· BP 神經網絡計算剪切變形因數81-83· 3.3 快速有限元模型83-90· 快速有限元模型建立83-84· 單元影響研究84-90· 3.4 模型驗證及應用90-99· 二輥軋制試驗90-93· Marc 有限元模型建立93-94· 模型驗證及應用94-99· 3.5 本章小結99-101· 第4章 摩擦元應用及Marc 二次開發(fā)101-132· 4.1 Marc 軟件及二次開發(fā)簡介101-11

10、0· 有限元軟件Marc 簡介101-103· Marc 軟件二次開發(fā)103-110· 4.2 有限元模型建立110-114· 摩擦元模型在Marc 中應用110-111· 二維有限元模型111-112· 三維有限元模型112-114· 4.3 摩擦元二元修正系數研究114-116· 4.4 有限元模型驗證及應用116-131· 平面模型驗證116-118· 300 mm 四輥軋機軋制實驗及模型驗證118-123·· 4.5 本章小結131-132· 第5章 軋機剛

11、度特性研究及有限元集成仿真系統(tǒng)132-149· 5.1 綜合分析模型建立132-134· 5.2 軋機橫向剛度特性研究134-139· 橫向剛度特性135-136· 不同參數對橫向剛度的影響136-138· 彎輥橫向剛度138-139· 5.3 軋機縱向剛度特性研究139-140· 5.4 板帶軋制有限元集成仿真分析系統(tǒng)140-148· 系統(tǒng)功能及結構介紹140-143· 系統(tǒng)功能界面143-148· 5.5 本章小結148-149· 結論149-151· 參考文獻151-162· 攻讀博士學位期間承