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《东北大学》 2009年
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中厚板矫直过程的理论分析及其控制系统

薛军安  
【摘要】:中厚板矫直过程是一个加载卸载交变进行的弹塑性弯曲过程,同时由于钢板与矫直辊系的接触问题是几何非线性的,因此精确地分析矫直过程非常困难,目前在矫直过程中仍然存在许多问题需要进行系统的理论分析。传统的矫直理论分析通常基于弯曲梁理论,精度不高,存在一定局限性。因此,建立高精度的矫直理论系统分析的新方法是十分必要的。本文采用曲率积分、有限差分、残余应力增量法等方法对中厚板矫直过程进行理论推导和系统分析,对矫直过程数学模型、曲率解析、残余应力、矫直后屈曲失稳、工艺优化等问题进行研究,并结合某厂设备工艺条件,开发中厚板矫直过程控制系统。具体内容包括: (1)建立用于中厚板矫直过程控制的数学模型。国内首次采用Prandtl-Reuss塑性增量理论,应用于中厚板矫直过程的应力分析;基于实验数据,给出各种钢种层别在全温度范围内的温度与弹性模量、屈服应力的关系;给出矫直速度设定公式;定义咬入率作为咬入条件的判据;采用1维隐式差分温度模型计算矫直温降;采用实验公式作为初始压下量设定公式,确定矫直机弹跳公式。 (2)提出中厚板矫直过程曲率的2维解析方法。首次针对矫直区间的首辊为上辊或下辊的两种弯曲情况下,推导钢板与矫直辊系接触的几何方程组,采用曲率积分的方法推导曲率、倾角的递推公式及初始倾角的计算公式,基于应力平衡方程推导曲率变化量的积分值公式,采用有限差分法求解曲率变化量的积分值,提出了2维曲率迭代解析的新方法。该方法的预测值与实测值吻合,精度高。计算分析后得出曲率存在累积效应,对残余曲率有副作用,须采用合理的倾斜量抵消该副作用。为了保证矫直质量,应取较高的塑性变形率(80%左右),同时匹配合适的出口压下量使得残余曲率最小化。 (3)提出中厚板矫直过程残余应力的3维分析方法。对板材进行3维几何单元划分,基于应力平衡方程和变形协调方程推导板厚中心线应变增量的线性方程组,给出宽度方向各单元应力的增量计算方法,基于残余应力的自平衡特性推导矫直后残余应力的计算公式,提出了残余应力迭代计算的新方法,也提出了沿厚度和宽度方向分布的两类残余应力评价方法。该方法的预测值与实测值吻合,验证了该方法的有效性。同时研究了塑性变形率、弯辊量和张应力对残余应力的影响规律,计算分析后给出单值曲率条件下最优化的矫直条件。 (4)研究中厚板矫直后屈曲失稳。提出矫直后空冷过程热应力的计算方法,判别常温下是否发生屈曲失稳。研究了塑性变形率、弯辊量与矫直率的关系。另外,分析后得出热应力是矫直后钢板形状不良的主要原因。最后,针对矫直后不同的残余应力问题提出相应对策。 (5)研究中厚板矫直工艺优化。采用数值计算,得出最大曲率、塑性变形率、残余曲率、残余应力和残余翘曲度的回归模型。建立压下量分配的多目标优化函数,基于模型的控制策略,提出了采用变尺度BFGS优化算法对矫直工艺进行优化计算的新方法。采用该方法的矫直工艺计算值与实际应用值吻合,验证了该方法的可行性。 (6)开发中厚板矫直过程控制系统。结合具体设备工艺条件,设计开发具有通讯、跟踪、监控、设定、维护等功能的矫直过程控制系统平台,采用离线仿真构建在线调整参数表,通过以查询调整参数表为主、以在线矫直工艺优化计算为辅的方法获取在线矫直工艺,构建相应矫直工艺层别表,完善自学习功能。 通过上述研究工作,推导了曲率和残余应力的相关公式,丰富了中厚板矫直理论,开发了中厚板矫直机过程设定模型仿真系统和中厚板矫直过程在线控制系统,仿真系统已经通过验收,在线系统投入现场的调试和应用,已经实现预计算功能。
【学位授予单位】:东北大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TG335.5

【引证文献】
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【参考文献】
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