基于数字孪生分析SmartCrown轧机弯辊对板形影响的方法技术

本发明专利技术的基于数字孪生分析SmartCrown轧机弯辊对板形影响的方法，包括：步骤1：采集带钢参数、轧制工艺参数以及SmartCrown轧机参数；步骤2：根据步骤1采集的参数建立SmartCrown轧机和带钢的三维弹塑性有限元模型；步骤3：利用三维弹塑性有限元模型对带钢轧制过程进行模拟实验；步骤4：提取步骤3中各模拟实验稳定轧制阶段带钢轧后的横向厚度分布数据，根据横向厚度分布数据计算带钢凸度、边部减薄、带钢凸度权重，进而建立数字孪生体；步骤5：根据步骤4所得到的数字孪生体分析工作辊弯辊力、中间辊弯辊力对轧后的带钢板形的影响。响。响。

【技术实现步骤摘要】
基于数字孪生分析SmartCrown轧机弯辊对板形影响的方法


[0001]本专利技术属于冷轧板形控制
，涉及基于数字孪生分析SmartCrown轧机弯辊对板形影响的方法。

技术介绍

[0002]钢铁工业是国家的基础产业，其中，冷轧板带表面美观，加工性能好，是应用最广泛的钢材品种。在冷轧生产中，板形控制是关注重点，可从工艺和设备两个角度进行控制。控制工艺可以通过轧制节奏的调整和轧制计划的安排等角度进行板形控制，但对于高精度板形控制的能力不足，因此涌现了许多效果显著的板形控制技术。
[0003]板形控制的实质就是控制轧制过程中有载辊缝的形状。SmartCrown技术是一种新兴的板形控制技术，这种技术是带有原始辊形的轧机，它将工作辊或者中间辊的辊身磨削成S形瓶状结构，上下轧辊辊形曲线方程相同，在轧机上相互倒置反向180
°
布置，通过轧辊横移调节辊缝形状。SmartCrown轧机中，中间辊横移是常用的板形执行机构，可以有效调控带钢板形，但其调控效果有限，带钢板形问题亟待进一步解决，需要在此基础上再引入工作辊弯辊、中间辊弯辊进行调控以获得良好带钢板形。与此同时，数字孪生充分利用物理模型等数据，集成仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程，这一手段也可应用于冷轧带钢板形研究领域。
[0004]针对冷轧生产过程中存在的板形控制问题，国内研究人员进行了许多相关的研究。申请号为CN201810164342.5的中国专利技术专利“一种带钢板形的控制方法及装置”专利技术了一种带钢板形的控制方法及装置，该方法基于凸度方程，将所述带钢的出口凸度变化量设置为0，获得弯辊力变化量与弯辊力横向刚度之间的关系，根据中间辊、工作辊横向刚度获得它们的弯辊力补偿值进行补偿，可提高轧制力设定精度，提高带钢板形。申请号为CN202110238966.9的中国专利技术专利申请“连续变凸度工作辊等效辊形调节范围计算方法及电子设备”，专利技术了一种连续变凸度工作辊等效辊形调节范围计算方法及电子设备，该方法可定量计算出优化的连续变凸度工作辊的等效辊形调节范围，而不依赖经验，提高了连续变凸度工作辊的效用，进一步控制好带钢板形。中国博士论文“带材轧制过程数值模拟与板形控制理论模型研究”(东北大学，2019)采用运动学方法对考虑宽展变形影响的板形解析数学模型进行推导，研究了板形缺陷产生的机理；基于弹塑性有限元法，建立了不同类型板带轧机的三维高精度数值仿真模型进行研究分析；采用数据驱动的方法建立了板形与工艺参数之间的多元回归模型，获取了板形调控功效。中国期刊文章“弯辊和串辊对带钢板形影响”(武汉工程大学学报，2020,42(03))基于有限元软件ANSYS建立了有限元模型。通过修改程序中的参数，计算分析了弯辊力、中间辊的串辊量以及带钢宽度等参数对带钢板形和辊缝的影响。
[0005]上述研究所存在不足主要有两个方面：(1)一些带钢板形的控制方法虽然可以起到一定的效果，但是其控制手段不够多样化，对板形控制的精度有限；(2)许多板形控制方法对高次板形的控制能力有限；(3)使用有限元法可以用使复杂的工程问题简单化，但精确
度浮动性比较大。

技术实现思路

[0006]为解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供基于数字孪生分析SmartCrown轧机弯辊对板形影响的方法，通过建立SmartCrown轧机和带钢的三维弹塑性有限元模型，根据现场的轧制工艺参数，在确定中间辊横移量后对模型施加不同的工作辊弯辊力、中间辊弯辊力，制定合理的对照计划，进一步分析液压弯辊对带钢板形的影响规律，从而指导现场生产采用合理有效的板形执行机构组合，达到改善带钢板形，提高产品质量的目的。
[0007]本专利技术的一种基于数字孪生分析SmartCrown轧机弯辊对板形影响的方法，包括：
[0008]步骤1：采集带钢参数、轧制工艺参数以及SmartCrown轧机参数；
[0009]步骤2：根据步骤1采集的参数建立SmartCrown轧机和带钢的三维弹塑性有限元模型；
[0010]步骤3：利用三维弹塑性有限元模型对带钢轧制过程进行模拟实验；
[0011]步骤4：提取步骤3中各模拟实验稳定轧制阶段带钢轧后的横向厚度分布数据，根据横向厚度分布数据计算带钢凸度、边部减薄、带钢凸度权重，进而建立数字孪生体；
[0012]步骤5：根据步骤4所得到的数字孪生体分析工作辊弯辊力、中间辊弯辊力对轧后的带钢板形的影响。
[0013]进一步的，所述步骤1具体为：
[0014]步骤1.1：从冷轧产线上的一级和二级系统获取所有带钢参数、所有轧制工艺参数和SmartCrown轧机参数；
[0015]步骤1.2：所述带钢参数包括：带钢宽度、带钢厚度、带钢密度、带钢弹性模量、带钢屈服强度、带钢泊松比以及带钢切线模量；
[0016]所述轧制工艺参数包括：压下率、摩擦系数、带钢前后张力、工作辊弯辊力、中间辊弯辊力、中间辊横移量；
[0017]所述SmartCrown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、中间辊辊形曲线方程、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、支撑辊弹性模量以及支撑辊泊松比。
[0018]进一步的，所述SmartCrown轧机的中间辊为SmartCrown辊形，中间辊辊形曲线方程为正弦函数与线性函数的叠加，具体为：
[0019][0020][0021]式中，R
U
(x)为中间辊的上辊形函数，R
L
(x)为中间辊的下辊形函数，x为轧辊横向坐标；R0为轧辊名义半径，单位mm；为形状角，单位degree；L
REF
为轧辊设计长度，单位mm；c为辊形偏移量，单位mm；A和B为辊形待定参数。
[0022]进一步的，所述步骤2具体为：
[0023]步骤2.1：进行SmartCrown轧机和带钢有限元建模过程中的假设和简化；
[0024]步骤2.2：利用ANSYS/LS
‑
DYNA平台进行SmartCrown轧机和带钢的三维弹塑性有限元模型的建模工作；
[0025]步骤2.3：在三维弹塑性有限元模型中施加质量阻尼系数，提高三维弹塑性有限元模型稳定性，并进行准确度验证。
[0026]进一步的，所述步骤2.1中假设和简化的内容为：
[0027](1)将轧机牌坊视作中间辊、支撑辊的限位体，把它设置为刚性体材料，支撑辊限位体起着限制压下、轧制和轴向位移的作用，中间辊限位体仅限制轧制和轴向的位移；
[0028](2)把SmartCrown轧机的轧辊设置为各向同性线弹性材料，计算限制在线弹性范围内，应力不超过屈服极限，材料的应力
‑
应变关系服从广义胡克定律；
[0029](3)把带钢视作各向同性硬化材料，建模过程中把它设置为各向同性双线性硬化材料，弹本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于数字孪生分析SmartCrown轧机弯辊对板形影响的方法，其特征在于，包括：步骤1：采集带钢参数、轧制工艺参数以及SmartCrown轧机参数；步骤2：根据步骤1采集的参数建立SmartCrown轧机和带钢的三维弹塑性有限元模型；步骤3：利用三维弹塑性有限元模型对带钢轧制过程进行模拟实验；步骤4：提取步骤3中各模拟实验稳定轧制阶段带钢轧后的横向厚度分布数据，根据横向厚度分布数据计算带钢凸度、边部减薄、带钢凸度权重，进而建立数字孪生体；步骤5：根据步骤4所得到的数字孪生体分析工作辊弯辊力、中间辊弯辊力对轧后的带钢板形的影响。2.如权利要求1所述的基于数字孪生技术分析SmartCrown轧机弯辊对板形影响的方法，其特征在于，所述步骤1具体为：步骤1.1：从冷轧产线上的一级和二级系统获取所有带钢参数、所有轧制工艺参数和SmartCrown轧机参数；步骤1.2：所述带钢参数包括：带钢宽度、带钢厚度、带钢密度、带钢弹性模量、带钢屈服强度、带钢泊松比以及带钢切线模量；所述轧制工艺参数包括：压下率、摩擦系数、带钢前后张力、工作辊弯辊力、中间辊弯辊力、中间辊横移量；所述SmartCrown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、中间辊辊形曲线方程、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、支撑辊弹性模量以及支撑辊泊松比。3.如权利要求2所述的基于数字孪生技术分析SmartCrown轧机弯辊对板形影响的方法，其特征在于，所述SmartCrown轧机的中间辊为SmartCrown辊形，中间辊辊形曲线方程为正弦函数与线性函数的叠加，具体为：正弦函数与线性函数的叠加，具体为：式中，R
U
(x)为中间辊的上辊形函数，R
L
(x)为中间辊的下辊形函数，x为轧辊横向坐标；R0为轧辊名义半径，单位mm；为形状角，单位degree；L
REF
为轧辊设计长度，单位mm；c为辊形偏移量，单位mm；A和B为辊形待定参数。4.如权利要求1所述的基于数字孪生技术分析SmartCrown轧机弯辊对板形影响的方法，其特征在于，所述步骤2具体为：步骤2.1：进行SmartCrown轧机和带钢有限元建模过程中的假设和简化；步骤2.2：利用ANSYS/LS
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DYNA平台进行SmartCrown轧机和带钢的三维弹塑性有限元模型的建模工作；步骤2.3：在三维弹塑性有限元模型中施加质量阻尼系数，提高三维弹塑性有限元模型稳定性，并进行准确度验证。5.如权利要求4所述的基于数字孪生技术分析SmartCrown轧机弯辊对板形影响的方
法，其特征在于，所述步骤2.1中假设和简化的内容为：(1)将轧机牌坊视作中间辊、支撑辊的限位体，把它设置为刚性体材料，支撑辊限位体起着限制压下、轧制和轴向位移的作用，中间辊限位体仅限制轧制和轴向的位移；(2)把SmartCrown轧机的轧辊设置为各向同性线弹性材料，计算限制在线弹性范围内，应力不超过屈服极限，材料的应力
‑
应变关系服从广义胡克定律；(3)把带钢视作各向同性硬化材料，建模过程中把它设置为各向同性双线性硬化材料，弹性变形时的应力
‑
应变关系亦服从广义胡克定律，塑性变形阶段遵循von Mises屈服准则和Prandtl
‑
Reuss应力
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应变关系。6.如权利要求4所述的基于数字孪生技术分析SmartCrown轧机弯辊对板形影响的方法，其特征在于，所述步骤2.2具体为：步骤2.2.1：选择3D SOLID164八节点六面体单元进行建模，定义材料属性，基于步骤1采集的带钢参数、轧制工艺参数以及SmartCrown轧机参数获取模拟计算的材料模型参数；步骤2.2.2：采用高次B样条曲线绘制中间辊的辊形曲线，轧辊、驱动轴、限位体的单元均设置为减缩积分模式，采用黏性沙漏控制，将带钢单元设置为全积分模式；步骤2.2.3：带钢为矩形件，划分网格时，带钢轧制方...

【专利技术属性】
技术研发人员：李旭，李康，王鹏飞，李晓华，张欣，张宇峰，曹雷，谷田，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：