一种UCM轧机辊系横纵刚度特性曲线的获取方法技术

本发明专利技术公开了一种UCM轧机辊系横纵刚度特性曲线的获取方法，该UCM轧机辊系横纵刚度特性曲线的获取方法具体步骤如下：步骤一：获取带钢参数、轧制工艺参数和轧机参数，步骤二：建立UCM轧机辊系横纵刚度系数计算模型，步骤三：构建UCM轧机和带钢的三维弹塑性有限元模型，步骤四：利用有限元模型对带钢轧制进行仿真模拟，提取稳定轧制阶段轧制力、带钢厚度数据，步骤五：根据所获模拟计算数据，分别计算轧制力与带钢厚度、凸度的回归方程。该UCM轧机辊系横纵刚度特性曲线的获取方法提高了UCM轧机三维有限元模型的精度和稳定性，具有较强的可移植性，可针对不同尺寸的UCM轧机进行刚度特性曲线计算和分析，具有成本低、可操作性强等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种UCM轧机辊系横纵刚度特性曲线的获取方法
本专利技术涉及板带轧制
，具体为一种UCM轧机辊系横纵刚度特性曲线的获取方法。
技术介绍
随着带钢冷轧过程向高度自动化方向发展，轧制生产效率迅速提高，下游行业对冷轧带钢产品形状控制精度的要求也越来越高，这促使从事带钢冷轧生产的工程师和研究人员必须深入调查研究影响带钢厚度和板形控制精度的因素，此外，实现轧制过程带钢高精度形状控制的前提是对板带轧机性能的深入了解，而轧机辊系的横纵刚度特性是影响轧机厚度和板形控制精度的重要因素，对于传统的四辊轧机，如四辊HC轧机，当轧机的结构固定时，轧机辊系的横纵刚度系数将基本恒定，而六辊UCM轧机在四辊HC轧机的基础上增加了一对可轴向移动的中间辊，中间辊横向位置的变化导致轧辊的弹性挠曲和压扁变形发生改变，使轧机辊系的横纵刚度特性也发生变化，因此，研究中间辊横向移动引起的UCM轧机辊系刚度特性变化，获取其横纵刚度特性曲线，对于提高轧制过程厚度和板形的控制精度具有十分重要的意义；现有的获取UCM轧机刚度特性曲线的手段主要包括压靠法和轧制法等，但这些方法大多都存在一定的局限性，且操作困难，成本昂贵，易出操作事故，影响生产节奏，为此，我们提出一种UCM轧机辊系横纵刚度特性曲线的获取方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种UCM轧机辊系横纵刚度特性曲线的获取方法，以解决上述
技术介绍
中提出的现有的获取UCM轧机刚度特性曲线的手段主要包括压靠法和轧制法等，但这些方法大多都存在一定的局限性，且操作困难，成本昂贵，易出操作事故，影响生产节奏的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种UCM轧机辊系横纵刚度特性曲线的获取方法，该UCM轧机辊系横纵刚度特性曲线的获取方法具体步骤如下：步骤一：获取带钢参数、轧制工艺参数和轧机参数；步骤二：建立UCM轧机辊系横纵刚度系数计算模型；步骤三：构建UCM轧机和带钢的三维弹塑性有限元模型；步骤四：利用有限元模型对带钢轧制进行仿真模拟，提取稳定轧制阶段轧制力、带钢厚度数据；步骤五：根据所获模拟计算数据，分别计算轧制力与带钢厚度、凸度的回归方程；步骤六：利用所获参数计算轧机辊系的横纵刚度系数，描绘轧机辊系横纵刚度特性曲线。优选的，步骤一中所述带钢参数包括带钢宽度、带钢厚度、带钢入口凸度、带钢入口边部减薄、带钢密度、带钢弹性模量、带钢屈服强度、带钢泊松比及带钢切线模量，所述UCM轧机参数包括工作辊辊径、工作辊辊身长度、工作辊密度、工作辊弹性模量、工作辊泊松比、中间辊辊径、中间辊辊身长度、中间辊密度、中间辊弹性模量、中间辊泊松比、支撑辊辊径、支撑辊辊身长度、支撑辊密度、支撑辊弹性模量及支撑辊泊松比，所述轧制工艺参数包括压下率、摩擦系数、轧制速度、前张力以及后张力。优选的，步骤二中UCM轧机辊系横纵刚度系数计算模型的建立步骤如下：S1：构建UCM轧机辊系的纵刚度系数计算模型；带钢的出口厚度通过轧机的弹跳方程确定：式中，j代表冷连轧第j道次；hj第j道次轧制后的带钢出口厚度，单位为mm；S0为预设定的空载辊缝，单位为mm；Pj为第j道次的轧制力，单位为kN；Km为轧机的综合纵刚度系数，单位为kN/mm，当设定空载辊缝为零时，轧机的综合纵刚度系数可表示为：轧机辊缝的弹跳量一部分是由辊系的弹性变形引起，另一部分是由轧机牌坊的弹性变形造成的，分别定义辊系和轧机牌坊的纵刚度系数为Kr和Kh，该轧机综合纵刚度系数Km与Kr和Kh之间的关系为：当轧机牌坊的结构一定时，Kh为常数，轧机的综合刚度系数Km取决于辊系的刚度系数Kr，且UCM轧机中间辊横移会改变辊系的刚度系数，同时带钢出口厚度会发生变化，UCM轧机的中间辊位置发生改变时，轧制力和带钢出口厚度会随之变化，且辊系刚度系数会发生变化，假设轧机的中间辊横移量为ΔS，辊系的刚度系数Kr、轧制力Pj和带钢出口厚度hj随ΔS变化而改变即：S2：构建UCM轧机辊系的横刚度系数计算模型；轧机的横刚度通常用横刚度系数Kt来表示：式中，P为轧制力，是轧制力波动值，C是带钢凸度，是带钢凸度波动值，且轧件宽度、张力分布、轧辊直径以及辊凸度均对轧制力与板凸度产生影响，在工程计算中，可以近似地将式(5)改写为差分格式：式中，P1和P2为工作范围内的两个轧制力波动值，ΔP为轧制力增量，C1和C2为与轧制力相对应的板凸度，ΔC为板凸度增量，中间辊横移量ΔS发生改变时，轧制力和带钢的出口凸度随之变化，辊系的横刚度系数发生变化，则公式(6)改写为：优选的，步骤三中所述构建UCM轧机和带钢的三维弹塑性有限元模型与步骤四中所述利用有限元模型对带钢轧制进行仿真模拟，提取稳定轧制阶段轧制力、带钢厚度数据的具体操作过程如下：A1：进行UCM轧机和带钢有限元建模过程中的假设和简化；A2：建立UCM轧机和带钢的三维弹塑性有限元模型；A3：对UCM轧机和带钢三维弹塑性有限元模型进行精度验证；A4：将轧机有限元模型的中间辊横移量ΔS分别设置n个设定值，并利用所述三维弹塑性有限元模型对带钢轧制分别进行模拟仿真，提取稳定轧制阶段轧制力与带钢厚度数据。优选的，步骤A1中所述UCM轧机和带钢有限元建模过程中的假设和简化代表将轧机牌坊简化为中间辊和支撑辊的限位体，限位体设置为刚性体材料，支撑辊限位体约束支撑辊压下方向、轧制方向和轴向的位移，中间辊限位体约束中间辊轧制方向和轴向的位移，将轧机的工作辊、中间辊和支撑辊设置为各向同性线弹性体材料模型，计算限制在线弹性范围内，材料的应力-应变关系服从广义胡克定律，在三维模型中，分别得出轧辊材料模型的弹性矩阵[D]与带钢材料模型的弹塑性矩阵[D]ep。优选的，所述轧辊材料模型的弹性矩阵[D]为：式中，E为轧辊材料的弹性模量，μ是轧辊材料的泊松比，带钢的应力-应变关系在弹性变形阶段同样遵循广义胡克定律，在塑性变形阶段遵循vonMises屈服准则和Prandtl-Reuss应力-应变关系。优选的，所述带钢材料模型的弹塑性矩阵[D]ep为：式中，σx',σy',σz',τxy,τyz,τzx分别为带钢的微单元体在轧制变形区内的偏应力分量，是等效应力，G是材料的剪切模量，ψ'是材料加工硬化曲线的斜率，在三维有限元模型中建立一段长度的带钢而非一卷带钢的模型。优选的，步骤A2中所述建立UCM轧机和带钢的三维弹塑性有限元模型的具体操作过程如下：根据带钢参数、轧制工艺参数和UCM轧机参数，采用非线性有限元分析程序LS-DYNA建立轧机和带钢的三维弹塑性有限元模型，利用ANSYS参数化设计语言APDL编写UCM轧机和带钢的有限元仿真程序，并将有限元仿真程序编写成宏文件，通过将执行有限元建模与分析的脚本语言集成为宏命令，实现带钢轧制过程的快速参数化建模。优选的，步骤A3中UCM轧机和带钢三维弹塑性有限元模型精度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种UCM轧机辊系横纵刚度特性曲线的获取方法，其特征在于：该UCM轧机辊系横纵刚度特性曲线的获取方法具体步骤如下：/n步骤一：获取带钢参数、轧制工艺参数和轧机参数；/n步骤二：建立UCM轧机辊系横纵刚度系数计算模型；/n步骤三：构建UCM轧机和带钢的三维弹塑性有限元模型；/n步骤四：利用有限元模型对带钢轧制进行仿真模拟，提取稳定轧制阶段轧制力、带钢厚度数据；/n步骤五：根据所获模拟计算数据，分别计算轧制力与带钢厚度、凸度的回归方程；/n步骤六：利用所获参数计算轧机辊系的横纵刚度系数，描绘轧机辊系横纵刚度特性曲线。/n

【技术特征摘要】
1.一种UCM轧机辊系横纵刚度特性曲线的获取方法，其特征在于：该UCM轧机辊系横纵刚度特性曲线的获取方法具体步骤如下：
步骤一：获取带钢参数、轧制工艺参数和轧机参数；
步骤二：建立UCM轧机辊系横纵刚度系数计算模型；
步骤三：构建UCM轧机和带钢的三维弹塑性有限元模型；
步骤四：利用有限元模型对带钢轧制进行仿真模拟，提取稳定轧制阶段轧制力、带钢厚度数据；
步骤五：根据所获模拟计算数据，分别计算轧制力与带钢厚度、凸度的回归方程；
步骤六：利用所获参数计算轧机辊系的横纵刚度系数，描绘轧机辊系横纵刚度特性曲线。


2.根据权利要求1所述的一种UCM轧机辊系横纵刚度特性曲线的获取方法，其特征在于：步骤一中所述带钢参数包括带钢宽度、带钢厚度、带钢入口凸度、带钢入口边部减薄、带钢密度、带钢弹性模量、带钢屈服强度、带钢泊松比及带钢切线模量，所述UCM轧机参数包括工作辊辊径、工作辊辊身长度、工作辊密度、工作辊弹性模量、工作辊泊松比、中间辊辊径、中间辊辊身长度、中间辊密度、中间辊弹性模量、中间辊泊松比、支撑辊辊径、支撑辊辊身长度、支撑辊密度、支撑辊弹性模量及支撑辊泊松比，所述轧制工艺参数包括压下率、摩擦系数、轧制速度、前张力以及后张力。


3.根据权利要求1所述的一种UCM轧机辊系横纵刚度特性曲线的获取方法，其特征在于：步骤二中UCM轧机辊系横纵刚度系数计算模型的建立步骤如下：
S1：构建UCM轧机辊系的纵刚度系数计算模型；
带钢的出口厚度通过轧机的弹跳方程确定：



式中，j代表冷连轧第j道次；hj第j道次轧制后的带钢出口厚度，单位为mm；S0为预设定的空载辊缝，单位为mm；Pj为第j道次的轧制力，单位为kN；Km为轧机的综合纵刚度系数，单位为kN/mm，当设定空载辊缝为零时，轧机的综合纵刚度系数可表示为：



轧机辊缝的弹跳量一部分是由辊系的弹性变形引起，另一部分是由轧机牌坊的弹性变形造成的，分别定义辊系和轧机牌坊的纵刚度系数为Kr和Kh，该轧机综合纵刚度系数Km与Kr和Kh之间的关系为：



当轧机牌坊的结构一定时，Kh为常数，轧机的综合刚度系数Km取决于辊系的刚度系数Kr，且UCM轧机中间辊横移会改变辊系的刚度系数，同时带钢出口厚度会发生变化，UCM轧机的中间辊位置发生改变时，轧制力和带钢出口厚度会随之变化，且辊系刚度系数会发生变化，假设轧机的中间辊横移量为ΔS，辊系的刚度系数Kr、轧制力Pj和带钢出口厚度hj随ΔS变化而改变即：



S2：构建UCM轧机辊系的横刚度系数计算模型；
轧机的横刚度通常用横刚度系数Kt来表示：



式中，P为轧制力，是轧制力波动值，C是带钢凸度，是带钢凸度波动值，且轧件宽度、张力分布、轧辊直径以及辊凸度均对轧制力与板凸度产生影响，在工程计算中，可以近似地将式(5)改写为差分格式：



式中，P1和P2为工作范围内的两个轧制力波动值，ΔP为轧制力增量，C1和C2为与轧制力相对应的板凸度，ΔC为板凸度增量，中间辊横移量ΔS发生改变时，轧制力和带钢的出口凸度随之变化，辊系的横刚度系数发生变化，则公式(6)改写为：





4.根据权利要求1所述的一种UCM轧机辊系横纵刚度特性曲线的获取方法，其特征在于：步骤三中所述构建UCM轧机和带钢的三维弹塑性有限元模型与步骤四中所述利用有限元模型对带钢轧制进行仿真模拟，提取稳定轧制阶段轧制力、带钢厚度数据的具体操作过程如下：
A1：进行UCM轧机和带钢有限元建模过程中的假设和简化；
A2：建立UCM轧机和带钢的三维弹塑性有限元模型；
A3：对UCM轧机和带钢三维弹塑性有限元模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：王青龙，孙杰，李旭，周吉宇，李娜，王伟，王孟，祝晓燕，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，东北大学，
类型：发明
国别省市：河北;13