基于响应面模型的轧辊冷却系统工艺参数优化方法技术方案

一种基于响应面模型的轧辊冷却系统工艺参数优化方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）建立优化对象热轧轧制系统的热固耦合模型和对象轧辊的疲劳寿命预测模型；（2）选取多个轧辊冷却系统工艺参数作为优化变量，并确定其设计空间及优化目标，提取试验样本点，计算得到轧辊工作周期响应值；（3）根据得到的响应值，建立反映输入与输出关系的轧辊工作周期的二阶响应面模型；（4）根据响应面模型，确定轧辊工作周期最长时的轧辊冷却工艺参数值，并将优化结果带入疲劳寿命预测模型进行疲劳分析，验证冷却系统工艺参数，直到得到最优的工艺参数。本发明专利技术具有较高的可靠性，适用性和可操作性，能够有效提高在采用热轧工艺中的轧辊零件疲劳寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种机械加工技术，尤其是一种轧辊加工技术，具体地说是一种基于响应面模型的轧辊冷却系统工艺参数优化方法。它特别适合对轧制过程中各型轧辊冷却系统的工艺参数进行优化设计。
技术介绍
众所周知，轧辊作为轧制过程的消耗件，价格昂贵，其受到复杂恶劣的周期性交变应力，包括热应力、轧制应力、支撑反力等，表面易产生疲劳裂纹，严重影响产品质量。目前，一般中厚板卷厂每一个班次(8小时)就要对轧辊进行修磨。因此有必要提出一种切实可行的，实际有效的提高轧辊寿命的方法。在轧辊轧制过程中，冷却水的冷却作用对轧辊表面温度场及应力场分布有着重要的影响，对轧辊的疲劳寿命有较大的影响。因而可通过对冷却系统的冷却工艺参数(包括冷却水压力、喷射角、水温、水流密度等)的优化，提高轧辊的疲劳寿命。而对于该参数传统的优化设计方法主要通过单因素试验确定被优化参数的最优解范围，这种方法很难寻找出被优化参数的具体数值，不能满足实际生产需求。因此，提出一种基于响应面模型的轧辊冷却系统工艺参数优化设计方法，解决确定最优冷却工艺参数精确值的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有的轧辊冷却工艺参数的优化设计方法主要通过单因素试验确定被优化参数的最优解范围，很难寻找出被优化参数的具体数值，不能满足实际生产需求的问题，专利技术一种基于响应面模型的轧辊冷却系统工艺参数优化方法，以提高轧辊疲劳寿命。本专利技术的技术方案是：一种基于响应面模型的轧辊冷却系统工艺参数优化方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)建立优化对象热轧轧制系统的热固耦合模型和对象轧辊的疲劳寿命预测模型；(2)选取多个轧辊冷却系统工艺参数作为优化变量，并确定其设计空间及优化目标，提取试验样本点，并通过步骤(1)中模型计算得到轧辊工作周期响应值；(3)根据步骤(2)中计算得到的响应值，建立反映输入与输出关系的轧辊工作周期的二阶响应面模型；(4)根据响应面模型，确定轧辊工作周期最长时的轧辊冷却工艺参数值，并将优化
结果带入疲劳寿命预测模型进行疲劳分析，验证冷却系统工艺参数，直到得到最优的工艺参数。其中：步骤(1)中所述的建立优化对象热轧轧制系统的热固耦合模型，包括如下步骤：1)考虑轧制系统的对称性，对实际模型的1/4进行分析，即建立上辊的1/2轴向、上支撑辊的1/2轴向和轧件的1/2厚度及1/2宽度的有限元模型，并添加材料属性，设置约束；2)在计算轧辊温度场时，考虑高温轧件与轧辊之间的接触传热、冷却系统的对流散热以及轧辊在空气中的热辐射，利用轧辊模型坐标系的旋转模拟轧制过程轧辊周期变化的热交换过程，以保证模型的精度；3)分别在轧辊模型和轧件模型、轧辊模型和支撑辊模型之间设置接触，根据轧制工艺参数为轧件设置压下量、线速度，为轧辊添加角速度。步骤(1)中所述的建立轧辊的疲劳寿命预测模型，以计算轧辊疲劳裂纹萌生的时间；建立轧辊疲劳寿命预测模型时需结合轧制系统热固耦合模型，并添加轧辊材料的应力-寿命曲线。步骤(2)中所述的优化变量是指结合轧制生产现场条件以及在轧制过程中可控的冷却系统工艺参数。步骤(2)中所述的优化变量的设计空间是指包含了最优冷却工艺参数的参数变化范围。步骤(2)中所述的优化目标是指轧辊在萌生疲劳裂纹前轧辊工作周期最长。步骤(2)中所述的疲劳寿命分析的试验样本点是根据非线性试验设计方法确定合理的试验点。步骤(2)中所述的响应值的计算包括：1)运用有限元分析软件对试验样本点进行热固耦合分析，提取出关键位置节点的应力状态；2)基于有限元疲劳分析软件对轧辊进行疲劳寿命分析，得到轧辊在萌生疲劳裂纹前的工作周期即为响应值。步骤(3)中对于n个设计变量的二阶响应面模型表示为： y = β 0 + Σ i = 1 n β i X i + Σ j = 2 n Σ i = 1 j β i j X i X j ]]>式中：y为输出变量—轧辊工作周期；Xi为设计变量—冷却工艺参数；n为设计变量
的个数；β为待定系数，由最小二乘法拟合得到。步骤(4)中所述的通过步骤(3)构建的响应面，获得轧辊工作周期最长时的轧辊冷却工艺参数值，将优化结果作为疲劳寿命预测模型边界条件进行疲劳分析，对比冷却工艺参数优化前后疲劳寿命分析结果，若优化后的冷却工艺参数能够显著延长轧辊的工作周期，则满足要求，优化结束并输出优化结果，否则，重新构建响应面，继续优化。本专利技术的有益效果：本专利技术将热轧轧辊轧制过程非线性有限元分析与响应面优化方法相结合，提高了冷却工艺参数的优化效率与精度，通过冷却系统工艺参数的优化设计，可增大轧辊的工作周期，有效延长使用寿命。解决了现有优化技术中难以保证结果精确及最优等问题，具有较高的可靠性，适用性和可操作性。附图说明图1是本专利技术的轧制系统示意图。图2是本专利技术的冷却系统工艺参数优化设计技术流程图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明。如图1-2所示。一种基于响应面模型的轧辊冷却系统工艺参数优化方法，包括如下步骤：1.建立优化对象热轧轧制系统(如图1所示)的热固耦合模型和对象轧辊的疲劳寿命预测模型。建立优化对象热轧轧制系统的热固耦合模型的步骤为：(1)考虑轧制系统的对称性，对实际模型的1/4进行分析，即建立上辊的1/2轴向、上支撑辊的1/2轴向和轧件的1/2厚度及1/2宽度的有限元模型，并添加材料属性，进行合理的约束；(2)在计算轧辊温度场时，考虑高温轧件与轧辊之间的接触传热、冷却系统的对流散热以及轧辊在空气中的热辐射，利用轧辊模型坐标系的旋转模拟轧制过程轧辊周期变化的热交换过程，保证了模型的精度；(3)分别在轧辊模型和轧件模型、轧辊模型和支撑辊模型之间设置接触，根据轧制工艺参数为轧件设置压下量、线速度，为轧辊添加角速度。建立轧辊的疲劳寿命预测模型，需结合轧制系统热固耦合模型，提取热固耦合模型计算得到的载荷信息，并添加轧辊材料的应力-寿命曲线。2.选取多个轧辊冷却系统工艺参数作为优化变量，并确定其设计空间及优化目标，
提取试验样本点，并通过步骤1中模型计算得到轧辊工作周期响应值。在本专利技术中，以某中厚板卷厂轧制冷却系统中可供调整的冷却水压力、冷却水温度和冷却水水流密度作为优化变量。可以理解的是，除了这三者，也可以选择其它冷却工艺参数作为优化变量，本专利技术中仅仅是以冷却水压力、冷却水温度和冷却水水流密度进行示例性说明，并非对本专利技术的限制。本专利技术中所述的优化目标本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于响应面模型的轧辊冷却系统工艺参数优化方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)建立优化对象热轧轧制系统的热固耦合模型和对象轧辊的疲劳寿命预测模型；(2)选取多个轧辊冷却系统工艺参数作为优化变量，并确定其设计空间及优化目标，提取试验样本点，并通过步骤(1)中模型计算得到轧辊工作周期响应值；(3)根据步骤(2)中计算得到的响应值，建立反映输入与输出关系的轧辊工作周期的二阶响应面模型；(4)根据响应面模型，确定轧辊工作周期最长时的轧辊冷却工艺参数值，并将优化结果带入疲劳寿命预测模型进行疲劳分析，验证冷却系统工艺参数，直到得到最优的工艺参数。

【技术特征摘要】
1.一种基于响应面模型的轧辊冷却系统工艺参数优化方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)建立优化对象热轧轧制系统的热固耦合模型和对象轧辊的疲劳寿命预测模型；(2)选取多个轧辊冷却系统工艺参数作为优化变量，并确定其设计空间及优化目标，提取试验样本点，并通过步骤(1)中模型计算得到轧辊工作周期响应值；(3)根据步骤(2)中计算得到的响应值，建立反映输入与输出关系的轧辊工作周期的二阶响应面模型；(4)根据响应面模型，确定轧辊工作周期最长时的轧辊冷却工艺参数值，并将优化结果带入疲劳寿命预测模型进行疲劳分析，验证冷却系统工艺参数，直到得到最优的工艺参数。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)所述的建立优化对象热轧轧制系统的热固耦合模型，包括如下步骤：(1)考虑轧制系统的对称性，对实际模型的1/4进行分析，即建立上辊的1/2轴向、上支撑辊的1/2轴向和轧件的1/2厚度及1/2宽度的有限元模型，并添加材料属性，设置约束；(2)在计算轧辊温度场时，考虑高温轧件与轧辊之间的接触传热、冷却系统的对流散热以及轧辊在空气中的热辐射，利用轧辊模型坐标系的旋转模拟轧制过程轧辊周期变化的热交换过程，以保证模型的精度；(3)分别在轧辊模型和轧件模型、轧辊模型和支撑辊模型之间设置接触，根据轧制工艺参数为轧件设置压下量、线速度，为轧辊添加角速度。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)所述的建立轧辊的疲劳寿命预测模型，以计算轧辊疲劳裂纹萌生的时间；建立轧辊疲劳寿命预测模型时需结合轧制系统热固耦合模型，并添加轧辊材料的应力-寿命曲线。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)所述的优化变量是指结合轧制生产现场条件以及在轧制过程中可控的冷却系统工艺参数。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)所述的优化变量的设计空间是指包含了最优冷却工艺参数的参数变化范围。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)所述的优化目标是指轧辊在萌生疲劳裂纹前轧辊工作周期最长。7.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏小平，李智，王东方，包圳，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32