一种基于数字孪生的四辊热轧机支撑辊磨损量预测方法技术

本发明专利技术的一种基于数字孪生的四辊热轧机支撑辊磨损量预测方法，包括：将影响支撑辊磨损的工艺参数作为特征参数；收集特征参数数据及轧辊磨损实际数据；建立支撑辊磨损仿真模型；将采集的特征参数数据输入到仿真模型中，计算轧辊磨损实际数据和轧辊磨损仿真数据的误差数据；将特征参数数据

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字孪生的四辊热轧机支撑辊磨损量预测方法


[0001]本专利技术属于金属轧制
，涉及一种基于数字孪生的四辊热轧机支撑辊磨损量预测方法
。

技术介绍

[0002]在热轧带钢的生产过程中，板形质量是一个关键的工业指标
。
支撑辊磨损会使工作辊表面产生剥落或划痕，使得工作辊与工作辊之间的辊缝形状产生不均匀的变化，导致板带板形质量下降
。
因此，研究支撑辊磨损对优化板形质量具有重要意义
。
有限元方法是目前常用的用于预测轧辊磨损的方法，然而，轧辊在利用有限元法进行建模时，会被视为弹性体，弹性体会被处理成无数连接起来的刚性微元体，但弹性体无法完全等价为无数连接的刚性微元体，因此有限元模型存在误差
。
虽然增加大量微元体可以大幅度提高计算精度，但会带来巨大的计算成本，当计算成本无法接受时，迫切需要一种计算量适度且具有高精度的算法用于建立支撑辊磨损预测模型
。

技术实现思路

[0003]为解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种基于数字孪生的四辊热轧机支撑辊磨损量预测方法
。
[0004]本专利技术提供一种基于数字孪生的四辊热轧机支撑辊磨损量预测方法，包括：
[0005]步骤1：分析热轧过程对支撑辊磨损产生影响的工艺参数，作为特征参数；
[0006]步骤2：收集轧制现场的特征参数数据以及对应的轧辊磨损实际数据；
[0007]步骤3：依据有限元法建立支撑辊磨损仿真模型；
[0008]步骤4：将采集的特征参数数据输入到支撑辊磨损仿真模型中，仿真获得轧辊磨损仿真数据，并计算轧辊磨损实际数据和轧辊磨损仿真数据的误差数据；
[0009]步骤5：将特征参数数据
、
轧辊磨损实际数据以及误差数据构成数据集，将误差数据代入拉依达标准进行数据清理计算，进而剔除数据集中异常数据，再进行归一化处理；
[0010]步骤6：将归一化处理后的数据集划分为训练集和测试集，训练集数据包括特征参数数据和误差数据，测试集数据包括特征参数数据和轧辊磨损实际数据；
[0011]步骤7：基于支持向量机算法，并结合训练集中的误差数据建立有限元误差补偿模型；
[0012]步骤8：采用粒子群优化算法，对有限元误差补偿模型的惩罚参数以及核参数进行优化；
[0013]步骤9：将优化后的有限元误差补偿模型串联于支撑辊磨损仿真模型之后，生成串联的数字孪生模型；
[0014]步骤
10
：将测试集中的特征参数数据输入到数字孪生模型，获得预测的磨损值，观察预测的磨损值与轧辊磨损实际数据的拟合情况，若拟合情况不佳，返回步骤8重新调整有限元误差补偿模型的参数；反之，进行步骤
11
；
[0015]步骤
11
：利用步骤5的数据集对数字孪生模型进行
K
折交叉验证，若模型拟合较差，返回步骤8重新调整有限元误差补偿模型的参数；反之，输出数字孪生模型
。
[0016]进一步的，步骤1中的特征参数为：
[0017]轧制速度
V
w
、
轧板温度
T、
下压量
n、
轧制时间
T
w
、
轧辊空转时间
T
s
、
轧板宽度
L
c
、
冷却剂流量
v、
轧制力
P1、
弯辊力
P2。
[0018]进一步的，步骤2中通过轧制系统的数据采集系统收集特征参数数据，利用辊形仪测量计算得出对应的轧辊磨损实际数据，轧辊磨损定义为初始轧辊半径与磨损后轧辊半径之差
。
[0019]进一步的，所述步骤3具体为：
[0020]步骤
3.1
：对支撑辊进行有限元划分，取通过支撑辊轴线的矩形纵向剖面作为研究对象，将矩形纵向剖面分割为多个三角形的微元，将三角形的顶点作为微元的节点，并对节点进行顺序编号；
[0021]步骤
3.2
：将微元中任一点的位移用节点位移表示：
[0022][0023]式中：
u
为微元中任意点在
x
轴方向的位移，
(x
，
y)
为微元中任一点的坐标，
(x
i
，
y
i
)、(x
j
，
y
j
)、(x
m
，
y
m
)
为微元的3个节点坐标
。u
i
、u
j
、u
m
为节点位移，
a
为常数；将上式中的
u
替换为在
y
轴方向的位移
v
，即得到微元中任意点在
y
轴方向的位移；
[0024]1/a
＝
det([1 x
i y
i
；
1 x
j y
j
；
1 x
m y
m
])
[0025]步骤
3.3
：将轧辊微元的应变用节点位移表示，考虑到轧辊本身为弹性体，因此轧辊微元的应变
ε
与位移的关系为：
[0026][0027]将步骤
3.2
中公式代入步骤
3.3
中公式得到轧辊微元任意点的应变与节点位移的关系式：
[0028][0029]式中：
ζ
为微元节点位移矩阵，
C
为常数，
C
＝
1/2A
，
A
为微元的面积；
[0030]步骤
3.4
：将步骤
3.2
中公式代入弹性力学物理方程得到轧辊微元应力转换矩阵：
[0031][0032]式中：
S
roller
为微元应力，
μ
＝
{
μ1,
μ2}
，
μ1为支撑辊材料的泊松比，
μ2为工作辊材料的泊松比；
E
＝
{E1,E2},E1为支撑辊材料的弹性模量，
E2为工作辊材料的弹性模量；
[0033][0034]步骤
3.5
：使用有限元分析对轧辊和微元进行受力分析，节点和微元分开考虑，建立轧辊微元的劲度矩阵：
[0035][0036]步骤
3.6
：依据静力等效原则，得到轧辊微元节点载荷矩阵，如下式所示：
[0037]F
roller
＝
B
T
[0...F 1...0...F 1...0...F本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于数字孪生的四辊热轧机支撑辊磨损量预测方法，其特征在于，包括：步骤1：分析热轧过程对支撑辊磨损产生影响的工艺参数，作为特征参数；步骤2：收集轧制现场的特征参数数据以及对应的轧辊磨损实际数据；步骤3：依据有限元法建立支撑辊磨损仿真模型；步骤4：将采集的特征参数数据输入到支撑辊磨损仿真模型中，仿真获得轧辊磨损仿真数据，并计算轧辊磨损实际数据和轧辊磨损仿真数据的误差数据；步骤5：将特征参数数据
、
轧辊磨损实际数据以及误差数据构成数据集，将误差数据代入拉依达标准进行数据清理计算，进而剔除数据集中异常数据，再进行归一化处理；步骤6：将归一化处理后的数据集划分为训练集和测试集，训练集数据包括特征参数数据和误差数据，测试集数据包括特征参数数据和轧辊磨损实际数据；步骤7：基于支持向量机算法，并结合训练集中的误差数据建立有限元误差补偿模型；步骤8：采用粒子群优化算法，对有限元误差补偿模型的惩罚参数以及核参数进行优化；步骤9：将优化后的有限元误差补偿模型串联于支撑辊磨损仿真模型之后，生成串联的数字孪生模型；步骤
10
：将测试集中的特征参数数据输入到数字孪生模型，获得预测的磨损值，观察预测的磨损值与轧辊磨损实际数据的拟合情况，若拟合情况不佳，返回步骤8重新调整有限元误差补偿模型的参数；反之，进行步骤
11
；步骤
11
：利用步骤5的数据集对数字孪生模型进行
K
折交叉验证，若模型拟合较差，返回步骤8重新调整有限元误差补偿模型的参数；反之，输出数字孪生模型
。2.
如权利要求1所述的基于数字孪生的四辊热轧机支撑辊磨损量预测方法，其特征在于，步骤1中的特征参数为：轧制速度
V
w
、
轧板温度
T、
下压量
n、
轧制时间
T
w
、
轧辊空转时间
T
s
、
轧板宽度
L
c
、
冷却剂流量
v、
轧制力
P1、
弯辊力
P2。3.
如权利要求1所述的基于数字孪生的四辊热轧机支撑辊磨损量预测方法，其特征在于，步骤2中通过轧制系统的数据采集系统收集特征参数数据，利用辊形仪测量计算得出对应的轧辊磨损实际数据，轧辊磨损定义为初始轧辊半径与磨损后轧辊半径之差
。4.
如权利要求1所述的基于数字孪生的四辊热轧机支撑辊磨损量预测方法，其特征在于，所述步骤3具体为：步骤
3.1
：对支撑辊进行有限元划分，取通过支撑辊轴线的矩形纵向剖面作为研究对象，将矩形纵向剖面分割为多个三角形的微元，将三角形的顶点作为微元的节点，并对节点进行顺序编号；步骤
3.2
：将微元中任一点的位移用节点位移表示：式中：
u
为微元中任意点在
x
轴方向的位移，
(x
，
y)
为微元中任一点的坐标，
(x
i
，
y
i
)、(x
j
，
y
j
)、(x
m
，
y
m
)
为微元的3个节点坐标
。u
i
、u
j
、u
m
为节点位移，
a
为常数；将上式中的
u
替换为在
y
轴方向的位移
v
，即得到微元中任意点在
y
轴方向的位移；
1/a
＝
det([1 x
i y
i
；
1 x
j y
j
；
1 x
m y
m
])
步骤
3.3
：将轧辊微元的应变用节点位移表示，考虑到轧辊本身为弹性体，因此轧辊微元的应变
ε
与位移的关系为：将步骤
3.2
中公式代入步骤
3.3
中公式得到轧辊微元任意点的应变与节点位移的关系式：式中：
ζ
为微元节点位移矩阵，
C
为常数，
C
＝
1/2A
，
A
为微元的面积；步骤
3.4
：将步骤
3.2
中公式代入弹性力学物理方程得到轧辊微元应力转换矩阵：式中：
S
roller
为微元应力，
μ
＝
{
μ1,
μ2}
，
μ1为支撑辊材料的泊松比，
μ2为工作辊材料的泊松比；
E
＝
{E1,E2},E1为支撑辊材料的弹性模量，
E2为工作辊材料的弹性模量；步骤
3.5
：使用有限元分析对轧辊和微元进行受力分析，节点和微元分开考虑，建立轧辊微元的劲度矩阵：
步骤
3.6
：依据静力等效原则，得到轧辊微元节点载荷矩阵，如下式所示：
F
roller
＝
B
T
[0...F1...0...F1...0...F2...0...F2...q(x)...0]
式中，
F
roller
为轧辊微元节点载荷矩阵，
F1
为轧制力，
F2
为弯辊力，
q(x)
为热轧板在工作辊上的分布载荷，
B
为轧辊微元的形函数矩阵；步骤
3.7
：对支撑辊与工作辊中所有节点列写平衡方程得到节点平衡方程组：式中：
K
ln
＝
∑k
ln
，
k
ln
为任意的轧辊微元的劲度矩阵
k
roller
，
n
为微元个数，
l∈(1,n)
；步骤<...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏飞，李旭，鲁甲，黄华贵，郝露菡，陈树宗，张欣，张殿华，邱天庆，高磊，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：