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板带轧机数值仿真技术基础及应用研究

王贵国  
【摘要】: 本文以国家自然科学基金和宝钢联合资助项目“板材轧制过程中有限元高速在线算法基础”,国家科技支撑计划课题“大型轧机共性技术研究”和中信重工机械有限责任公司课题“1100双机座可逆式HC轧机轧制工艺参数研究”为研究背景,通过理论分析和试验研究,结合实际轧制生产过程,对板带轧制过程数值仿真技术基础及应用进行了深入的研究,为板带轧制过程在线控制模型的研究和优化提供了理论基础。本文主要研究工作如下: 基于能量变分原理,考虑剪切变形影响,建立了离散块元高速仿真模型。为了使模型得以在线应用,在大量有限元仿真的基础上,研究了不同参数对为考虑剪切变形而引入的剪切变形因数的影响,并以此为基础,建立了剪切变形因数的BP神经网路模型。离散块元高速仿真模型在保证工程精度的前提下0.5秒可以完成五道次的计算,可在线应用。该研究成果在中信重型机械公司的1100 mm双机架可逆式HC轧机轧制工艺参数设定中获得了应用,并取得很好的效果。 为解决板带轧制过程中有限元法在线应用问题,采用摩擦元模型处理轧辊与板带之间接触摩擦问题,考虑多重非线性,建立了弹塑性有限元模型,在非线性有限元的求解过程中采用波前法、部分组装技术和一次迭代法,对模型在单元划分方面进行了研究,确定了适应于在线应用要求的该有限元模型单元数目选取规则和单元划分原则,建立了可应用于在线的快速有限元模型。为了对该快速有限元模型进行验证,在实验室二辊试验轧机上开展了轧制试验。并将快速有限元模型的仿真结果与生产数据、试验数据和Marc仿真结果进行了对比,吻合较好,验证了模型的计算精度。单道次计算时间可以在0.1秒内完成,满足在线应用需求。该成果对深入研究冷热态连轧过程在线控制具有重要实际意义。 考虑轧辊与板带之间摩擦介质作用,对大型有限元软件Marc进行了二次开发,把摩擦元理论引入到Marc中,对摩擦元的二元修正系数进行了研究,确定了其合理的取值规则和范围。仿真结果与实测数据进行了对比,吻合较好,验证了模型的正确性,该成果对板带轧制摩擦介质属性和摩擦边界条件处理具有指导意义。通过对Marc二次开发,使摩擦元理论在大型有限元软件中得到了推广和应用,并以此为基础分别建立了轧辊为弹性和刚性的二维、三维弹塑性有限元模型,对摩擦元修正系数在计算精度上的影响进行了研究,得到了摩擦元的二元修正系数的合理的取值规则和范围。为了验证模型,在300可逆冷带实验轧机组开展了板带轧制试验。利用试验参数、某厂2030 mm冷连轧机组参数和1420 mm冷连轧机组的实际参数,建立了带摩擦元的有限元模型,并对板带轧制过程进行了仿真,模型计算结果与实测值进行了对比,吻合较好,验证了模型的正确性和适应性。 为深入研究板带轧制过程的在线控制模型,基于某1420 mm冷连轧机组的六辊轧机实际参数和本文研究的模型,建立了板带轧制过程带摩擦层的有限元模型,并对板带轧制过程中轧件塑性刚度和轧机刚度特性进行了深入研究,得到了不同参数的影响规律。 为深入研究板带轧制过程轧件和轧辊变形机理、分析板带轧机的板形板厚控制特性,以大型有限元软件Marc为平台,利用Visual Basic 6.0可视化编程语言开发了板带轧制过程板形板厚有限元集成仿真分析系统。


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