無縫鋼管斜軋穿孔過程的deform有限元建模的制作方法
【專利摘要】無縫鋼管被廣泛應用于汽車、航空、石油、化工、建筑、鍋爐和軍工等各個部門，被人們稱為工業的血管。各領域對無縫鋼管的質量，尤其是尺寸精度，要求越來越高。管坯穿孔是熱軋無縫鋼管生產的第一道變形工序，對其產品質量有很大的影響。本發明以寶鋼無縫鋼管廠穿孔生產設備——狄塞爾斜軋穿孔機為研究對象，建立了無縫鋼管穿孔生產過程的DEFORM有限元模型。穿孔過程DEFORM有限元模型可以代替實際生產，作為生產過程模擬平臺，用于工藝參數的優化和控制算法的檢驗，從而大大降低了調試時間和生產成本，具有較大的理論意義和實用價值。最后將DEFORM有限元模型與ELM網絡數學模型結合組成混合模型，進一步提高質量預報精度。
【專利說明】無縫鋼管斜軋穿孔過程的DEFORM有限元建模
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種無縫鋼管斜軋穿孔過程的建模方法，具體是一種無縫鋼管斜軋穿孔過程的DEFORM有限元建模方法，及在DEFORM有限元建模基礎上的混合建模方法。
【背景技術】
[0002]無縫鋼管作為一種經濟斷面鋼材，在國民經濟中占有很重要的地位，廣泛用于化工、石油、電站、鍋爐、航空、汽車、機械制造、船舶、航天、地質、能源、建筑及軍工等各個部門.生產無縫鋼管的三個變形工序是穿孔、軋管、減徑。管坯穿孔是熱軋無縫鋼管生產流程中的第一道變形工序，二輥斜軋穿孔由兩個相對軋制線傾斜布置的桶形軋輥、兩個導盤的和一個位于其中間的頂頭所構成，如圖1所示.由于軋管工具形狀的復雜，變形工具既有旋轉運動，又有直線運動，所受外力除軋輥、導盤(或導板)、頂頭外有的還有前后張力，而且影響穿孔過程的因素很多，包括:軋輥、頂頭、導盤、送進角、輾軋角、入口錐角、出口錐角等等，這些因素導致軋管工序變形空間的幾何學、力學和運動學的分析十分復雜，因此精確地確定穿孔時參數是設計和生產中都有待解決的關鍵問題.斜軋穿孔的工藝參數是穿孔機設計考慮的主要參數，它對無縫鋼管穿孔過程能否順利完成，以及穿孔能耗起著決定作用.但是鋼管斜軋穿孔過程金屬變形非常復雜，金屬流動規律難以掌握.實際工作中，人們往往依靠經驗或借鑒同類機組來選取穿孔過程的參數，所以很難較準確地把若干個參數調整好，進而也很難確保穿孔過程能夠處于最佳狀態，能耗達到最低.所以，通過研究建立穿孔過程三維有限元模型，來為日后優化控制提供模型，將優化的參數帶入模型中仿真，可以避免在生產現場調試優化的參數，降低了不必要的損失.因此建立穿孔機三維模型，仿真穿孔過程具有非常重要的理論價值及實踐意義.將DEFORM有限元分析法應用于斜軋穿孔過程建模中，建模精度較高，建模時間短.以DEFORM有限元建模方法為基礎，結合現場實際數據，利用ELM算法建立基于DEFORM有限元和實際數據的混合模型。
【發明內容】
[0003]本發明的目的，是提供一種無縫鋼管斜軋穿孔過程的DEFORM有限元建模方法，及在其基礎上結合實際生產數據和ELM算法，提出的一種混合建模方法.有限元法是為了適應電子計算機的使用而發展起來的一種非常新穎和有效的數值計算方法.DEFORM (Design Environment for Forming)是由美國 Battle Columbus 實驗室在八十年代早期開發的一套有限元分析軟件，是一套基于工藝模擬系統的有限元系統(FEM)，適用于熱、冷、溫成形模擬，專門設計用于分析各種金屬成形過程中的材料和溫度三維流動，為實際生產提供極有價值的工藝分析數據。它處理的對象為復雜的三維零件、模具等，典型的應用包括鍛造、擠壓、鐓頭、軋制、自由鍛、彎曲和其它成形加工手段。[0004](I)坯料尺寸、材質選擇及單元劃分
考慮到模擬計算時所用計算機的計算能力和計算時間以及實際生產所用管坯規格，選擇模擬計算所用管坯為:直徑Db=178mm;材質為AIS1-1045，相當于中國標號的45#鋼；圓坯長度的確定一方面應保證軋件充滿變形區并稍有盈余，另一方面要考慮縮短計算時間，本文取Lb=AOOmm ;為了減少穿孔時的壁厚不均,在管還咬入端設置定心孔,定心孔深h=10mm,直徑d=30mm。將管坯使用15 000個四面體單元離散化。
[0005](2)幾何模型的建立
實心坯斜軋孔型由軋輥和導盤構成，變形工具的主要尺寸、轉速及調整參數如下:軋棍直徑Dg=IOOOmm ;入口錐角β=2.75° ;轉速ng=120r/min ;導盤直徑Dp=1800mm ;轉速np=26r/min ;送進角 α =12° ;輾軋角 Φ=0° ;軋棍距離 Bek=154.6mm ;導盤距離 Lek=173mm.軋輥、導盤、頂頭在模擬中被認為是模具.軋輥、導盤和頂頭的幾何模型均按寶鋼鋼管廠生產所用尺寸規格建立，它們的三維圖形如圖2-5.在模擬過程中為了逼近生產現場情況，在管坯咬入階段采用推桿(作用相當于生產中的推鋼機)推動管坯進入孔腔.在頂頭尾端同樣設置了一個推桿，在模擬中的主要作用是將軋制出來的毛管套在上面，避免毛管軋出時由于旋轉而造成彎曲.在斜軋過程中由于軋輥、導盤和頂頭的變形量相對管坯很小，可以忽略不計.因此模擬中不考慮這些模型的變形而將其設置為剛性體.但是在溫度模擬中，為了考慮軋輥、導盤及頂頭與管坯之間的熱交換，對這些模具也劃分了必要的網格，但這些網格只有溫度顯示，沒有變形發生.由于Deform-3D軟件不具有很強的建模功能，則采用三維建模軟件Pro/E建立實體模型，根據圖1所示二輥斜軋原理圖，建立三維模型如圖6所示。
[0006](3)初始條件和邊界條件的確定
(a)管坯單元的選取和劃分
對于管坯的長度選擇和網格劃分數量，有三個方面的考慮:a模擬所用計算機的計算能力和模擬完成所需要的時間；b所用管坯長度能保證管坯充滿變形區并且能達到穩定軋制；c模擬能達到理想的效果。鑒于這三方面的原因，本文經過多次試取，最終管坯長度定為550 mm，劃分60 000個網格。如圖7所示.(b)力學邊界
管坯和模具之間的摩擦系數基本相同，即軋輥與管坯之間的摩擦系數為0.4，導盤與管坯之間的摩擦系數為0.3，頂頭與管坯之間的摩擦系數同樣為0.3.(c)溫度邊界
管坯初軋溫度為1200°C，軋輥工作溫度為150°C，導盤初始溫度設置為100°C，頂頭初始溫度設置為100°C.(d)運動條件
軋輥和導盤均按照生產實際的轉速設定，當管坯被咬入后，管坯在軋輥和導盤摩擦力的帶動下進行軋制，完成穿孔過程的有限元模擬.除了軋件頭部和尾部，軋件在整個穿孔過程的變形可看作是一個穩態變形，只對該階段進行分析。
[0007]4)有限元模擬
根據給定的實際二輥斜軋穿孔機的軋輥、導盤、推桿等實際參數值，首先利用DEF0RM-3D前處理器設置各個必要的參數值，然后生數據庫，模擬求解整個穿孔過程，最后在后處理器中仿真穿孔過程，其中圖8和圖9為仿真過程截圖，圖10為穿孔過程數據監測。
[0008](5)混合建模
混合建模就是將被DEFORM建模方法與ELM數據建模方法融合起來共同完成.在采用混合建模方法的系統建模過程中，首先對實際系統已知的部分進行DEFORM建模.DEFORM模型是整個混合模型的基礎，但進行DEFORM建模時，對對象必須提出合理的簡化假定，否則會使問題過于復雜化，但這些假定往往不一定能符合實際情況.另外，過程的某些外部擾動的作用也可能不斷變化，而且又難以精確描述，諸如此類的原因導致DEFORM模型與實際模型存在一定的偏差.為識別這類偏差，利用ELM進行DEFORM模型基礎上的系統辨識，將ELM網絡作為模型誤差的估計器疊加到DEFORM模型上.在采用ELM網絡和DEFORM模型的混合建模方法中，DEFORM建模的輸出和ELM網絡的輸出共同構成模型的最終輸出，建模方式如圖11所示。
[0009](6)仿真驗證
取某鋼廠Sffff斜軋穿孔機2013年40根20號鋼管坯穿孔生產數據，分成兩組:前25根用來建立質量預報模型，后15根用來測試模型，檢驗其對毛管質量的預估精度.利用相同的工藝參數建立穿孔過程DEFORM模型，得到仿真數據，同時采集試驗數據，建立混合模型，得到圖12和圖13的結果。
[0010]
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1是二輥斜軋穿孔原理圖.圖2是斜軋穿孔機軋輥零件圖 圖3是斜軋穿孔機鋼坯零件圖 圖4是斜軋穿孔機導盤零件圖 圖5是斜軋穿孔機頂桿零件圖 圖6是二輥斜軋穿孔三維模型圖.圖7是鋼坯網格劃分圖.圖8是穿孔過程仿真圖.圖9是穿孔過程的剖視圖.圖10是穿孔過程的數據分析圖.圖11混合模型結構圖.圖12橫向壁厚誤差預報圖.圖13縱向壁厚誤差預報圖。
【權利要求】
1.以DEFORM有限元方法建立無縫鋼管生產的關鍵設備一斜軋穿孔機的三維有限元模型。
2.將DEFORM有限元模型與ELM網絡數學模型結合組成的混合模型。
【文檔編號】G06F17/50GK103886159SQ201410131330
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月3日 優先權日:2014年4月3日
【發明者】肖冬, 施少華 申請人:東北大學