张力减径过程组元建模技术及有限元模拟

文章编号:1004-132󰂳(2003)19-1652-03

张力减径过程组元建模技术及有限元模拟

臧新良　杜凤山　孙澄澜

　　　　摘要:根据张力减径过程的变形特点,提出了全过程仿真的组元建模技

术,建立了张力减径过程的组元模型,并利用三维弹塑性大变形有限元程序模拟了典型的钢管轧制过程,结果与试验数据吻合。

关键词:组元模型;弹塑性有限元;过程仿真;张力减径

中图分类号:TG33　　　文献标识码:A

　　张力减径机在轧管机中是比较复杂的设备,它是通过一组孔型尺寸递减的机架牌坊系列和控制变换机架间的速度差来形成张力,使钢管在轧制中减径减壁[1]。由于其在钢管生产中的重要地位,国内外学者对张力减径过程做了大量的研究工作[2]。特别是近年来计算机技术突飞猛进的发展,使得张力减径过程的仿真成为研究的焦点。但是由于分析方法及有限元计算时间上的,使得张力减径过程整体模型模拟相当困难。本文提出了组元建模技术,模拟张力减径完整过程,以实现钢管产品的尺寸精度预报。

图1　单组元建模过程示意图

臧新良　副教授

图中Ρbi与Ρfi分别表示第i机架中钢管所受的后张

力和前张力,图1表明了单组元建模过程中有限元模型的网格重新生成及相关边界条件的确定问题。

1　组元建模技术

1.1　基本思想

1.3　张力模型

连续轧制整体模型中可以直接将张力减径机的速度制度(即各机架轧辊的转速分配)作为边界条件输入,考虑钢管的材料特性,机架间钢管所受张力便自然得到体现。而在组元模型中,机架间的张力必须作为联系两个组元的边界条件而事先给定。

减径过程中钢管在机架间受张力的作用,实际生产中这一张力通常用张力系数来表示,该系数等于管材所受的轴向(轧制方向)拉伸应力与管材的塑性变形抗力的比。张力系数的影响因素主要有张力减径机的速度制度和轧件的物理机械性能,后者决定金属的整个硬化和软化过程。由此可见,张力是张力系数与塑性变形抗力的函数。1.4　网格重新生成

如果把张力减径轧制过程分解为各个前后相接的机架间的变形过程,将一个机架变形后的钢管有限元网格形状、材料特性和温度变化等作为下一个机架间钢管变形分析的初始条件,既简化了减径过程,又符合实际生产情况。将单个或几个机架及其在模拟过程中需要的力学及物理条件作为一个组来整体研究,考虑轧制过程中各因素的变化,以得到钢管减径过程中的金属流动规律,这便是组元建模技术。模型中包含一个机架为单组元模型,包含多个机架,则称为多组元模型。本文主要论述采用单组元模型,通过三维弹塑性大变形有限元分析,给出有关位移场、应力场和应变场分布。通过机架间信息变换实现对整个轧制过程的模拟,给出钢管在各机架出口断面横向壁厚分布,以利于跟踪钢管断面形状缺陷出现的位置[3]。1.2　组元建模

经过一个组元的轧制以后,钢管的三维有限元

网格在三个坐标方向上都要发生变化。如果将本次轧制的变形结果原封不动地用于下一机架的仿真模型,势必会引起以下问题:①依次使用这样的模拟结果,则随着机架数目的增加,网格畸变问题仍然得不到避免,模拟计算难以继续;②由于有限元模拟的特殊性,钢管模型的头部和尾部的变形并不能代表钢管在稳态轧制时的变形情况,不能反映钢管在当前组元的变形过程。将此部分变形带入后续

根据上述建模思想,单组元的建模过程见图1。

收稿日期:2003—04—18

基金项目:河北省自然科学基金资助项目(500214)

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张力减径过程组元建模技术及有限元模拟——臧新良　杜凤山　孙澄澜

模型,只能使模拟结果更加偏离实际。因此本文在进行单组元网格重新生成时,只保留模型中部稳定截面的横向变形,作为新模型的横截面。实践证明,这样的简化几乎不影响模拟结果。1.5　钢管及轧辊模型

根据张力减径机结构布置的对称性,把管坯的计算模型减少到整个截面的1󰃗6(见图2)。

中钢管模型对应于图2所示的区域,图4中横坐标

的0度为奇数架的辊底位置。

图2　张力减径轧制的有限元模型

因此可以建立60°圆弧(一个孔型底部至辊缝间)的有限元计算模型。对称边界条件由对称面上的节点位移来确定,即对称面法线方向上的位移为零。三辊张力减径机的孔型是成120°对称的,因此,在有限元模型中,取与60°管坯模型接触的相应的半个轧辊辊面作为有限元计算模型中的轧辊模型(见图2)。

2　轧制实例及分析

根据以上建模思想,建立张力减径过程的单组元模型,利用三维大变形弹塑性有限元程序MARC,对较典型的生产过程进行模拟。2.1　初始数据

连轧管修正外径:15215mm;连轧管壁厚:10125mm;总机架数:18;成品规格:<70100mm×10100mm。2.2　结果分析

1.单机架壁厚变化　2.累加壁厚变化

图4　壁厚变化的周向分布

该实例为某钢管厂典型的具有内六方缺陷的轧制过程。有限元模拟结果

见图3。

将钢管各机架的变形数据进行处

图3　模拟结果理,得到壁厚变化,

见图4。图4给出了轧制过程中通过每一机架时钢管的周向壁厚的变化及钢管通过各机架的累加变形。由于第18机架几乎没有压下量,故第17机架轧制后的模拟结果即为成品钢管的外形形状。模拟

由图4可见,由于第1机架的压下量较小,前

张力刚刚建立,所以,第1机架中的壁厚变化较小。而由第2机架和第3机架的壁厚变化曲线可以明显看出,辊底处壁厚减小,辊缝处壁厚增加,变化比较剧烈。这样在第3机架的总壁厚变化已经使得孔型侧壁处略微产生了增壁现象(见图4),最大壁厚差为0120851mm。由张力系数表可知,前三架为张力升起机架,张力变化较为剧烈,因而产生了相应的较为剧烈的变形。

随着张力减径过程的继续,张力进入稳定阶段。钢管壁厚在各机架的变化规律基本一致,但变化的程度各不相同。由初始数据可知,第4机架到第6机架的压下量较大,所以,由图4可见壁厚在

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中国机械工程第14卷第19期2003年10月上半月

文章编号:1004-132󰂳(2003)19-1654-04

工艺尺寸全相关模型研究

王庆文　唐　勇

　　　　摘要:提出了工艺尺寸全相关模型,为工艺过程中复杂尺寸关系的系统

性表达提供了理论基础。该模型能够表达全部工艺尺寸及其之间的关联关系,任何工艺尺寸的修改可以自动调整关联尺寸,使工艺尺寸保持一致。论述了工艺尺寸全相关模型的概念,给出模型的形式化定义和主要尺寸关系

查找算法,结合具体实例介绍了模型的建立方法和应用。该模型已在开放式CAPP系统中得到应用验证。

关键词:CAPP;全相关模型;尺寸链;工艺尺寸中图分类号:TH162　　　文献标识码:A

王庆文　副教授

1　工艺尺寸全相关模型概念的提出

在CAPP中提出工艺尺寸全相关的概念,旨在建立所有工艺尺寸间的关联关系,通过一个工序尺寸能够找到所有和它有关系的工序尺寸,一个工序尺寸的修改,能够带动相关联工序尺寸信息的修改,保持所有信息的动态一致性。本文的全相关是所有工艺尺寸的全相关。收稿日期:2002—09—23

　　各个工序尺寸间的关系是通过的尺寸链来表述的。在传统的工艺设计过程中,当确定设计尺寸要求和加工信息后,所有的其它工序尺寸信息是通过工艺尺寸链解算出来的,然后将工艺尺寸应用于工艺过程[1～3]。其一般过程见图1中实线部分。

这些过程在传统的尺寸链求解过程中是不可逆的,即用户在设计过程中决定修改不合理工序尺寸信息时,因为多个尺寸链之间工序尺寸相互关联,很难找出与之有关系的工序尺寸,并且当数模拟数据和实测数据可见,钢管横截面内周向壁厚的变化十分接近,两者之间的最大误差小于2%,证明该模型基本符合实际生产情况,可用于张力减径过程的模拟。

参考文献:

[1]　张才安.无缝钢管生产技术.重庆:重庆大学出版

这些机架中的变化也较为剧烈。第5架以后,钢管

内表面已有明显的内六方出现。在后续机架的轧制中,内六方越来越明显。由张力系数表可以发现,第13机架以后,张力逐渐下降直至为零。此时钢管壁厚有所增加,但内六方趋势没有得到改善,一直保持到最后。图4表明了这一变化。由此可以预报钢管出现内角缺陷的准确位置,对改进轧制工艺,修改孔型数据具有指导意义。2.3　模拟结果与实轧产品比较

图5为该产品的实际生产样件,与图3比较可见,模拟结果与实轧结果形状基本吻合。同时分析

社,1997

[2]　杜凤山,于辉,臧新良.强张力减径过程混合加载

模型及产品质量预报.燕山大学学报,2002,24(4):

302～308

[3]　臧新良.张力减径过程组元模型理论及其虚拟仿真

系统的研究:[博士学位论文].河北省秦皇岛市:燕山大学,2001

(编辑　晓　舟)

作者简介:臧新良,男,1963年生。燕山大学(河北省秦皇岛市　

066004)机械工程学院副教授。研究方向为金属成形过程的计算机

仿真、CAD󰃗CAM󰃗CAE。发表论文10余篇。杜凤山,男,1959年生。燕山大学机械工程学院教授、博士研究生导师。孙澄澜,男,

1940年生。宝山钢铁公司钢铁研究院(上海市　201900)教授级高

图5　实轧钢管样品

级工程师。

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.14,No.19,2003thefirsthalfofOctoberCHINAMECHANICALENGINEERINGVol

emphaticallyanalyze,andthentheoptimalstructuralform

oftheJFLMCandtherecommendedusingextentareobtained.

Keywords:optimaldesign　　torque　　shaft-　　misalignmentinertialloadTimeFrequencyDistributionBasedonFilterBanksandItsApplicationtoDiagnoseFaults　　XiongLiangcai(HuazhongUniversityofScience&Technology,Wuhan,China)　ShiTielin　YangShuzip10211

Abstract:Anewtime-frequencydistributionisput

.forwardinthispaperFirstly,theoriginalsignalsare

dividedintoaserialofsubbandsignalsbasedontheuseof

.Secondly,decidingthewindowlengthofthefilterbanks

PWVDforeachsubbandsignalisbasedontheprincipleofLeastInformationEntropy(LIE).Atlast,thelinearcombinationofeveryoptimizedPWVDiscomputedandthetimefrequencydistributionoftheinputsignalsisobtained.WhenthenumbersofthegroupforthevalueofPWVDareappropriate,thedistributionisofsomeadaptiveandthecomputationquantityislessthanthatbyotheradaptivetimefrequency.Theresultsofapplicationinthefieldoffaultdiagnosisforrotorareperfect.

Keywords:filterbank　　timefrequency

　　　　distributioninformationentropyrotor　　fault

diagnosis

OptimizationofPart-buildingOrientationBasedonMixedGeneticAlgorithmforLayeredManufacturing　　ZhuLi(NanjingUniversityofScience&Technology,Nanjing,China)　HouLiya　DongTaop12215

Abstract:Threesingle-objectiveoptimizationmodelsofpart-buildingorientationforlayeredmanufacturingaredesignedinthispaper.Thesyntheticdecision-makingmodelbasedonidealpointandweightedwith-pmoduleispresented.Akindofnewmixedgeneticalgorithmisdesignedandemployed.Thefollowingfactsareprovedbythetechnicalexperiments:

-boththesesingleobjectiveoptimizationmodelsandthesyntheticdecision-makingmodelarecorrectandofall-purpose.Furthermore,theoptimizingprocedureofthepart-buildingorientationbasedonmixedgeneticalgorithmisdependableandconvenient.

Keywords:layeredmanufacturing　　slicingorientation　　optimization　　model　　geneticalgorithm

DesignandGraphicSimulationaboutPitch-lineofDenaturedEllipseGear　　GaoHong(AnhuiUniversityofScience&Technology,Wuhu,Anhui,China)　LuXinshengp15218

Abstract:Thecurveofhigherorderpitch-linedesignfordrivengearandvelocityratiofunctionis

.Theconcavo-convexconditionsmodeledmathematically

aboutpitch-lineofdrivinggearanddrivengeararededucedfromthelawofdifferentialgeometry,andthenpropertyandvariableregularityofitsvelocityratiofunctionareanalyzedquantitatively.TheapplicationprogramsbasedonMATLABlanguagearedesigned.Finally,threeexamplesaregiven.

Keywords:denaturedellipsegear　　pitch-linedesign　　velocityratiofunction　　mathematicalmodel　　MATLABlanguage　　graphicsimulationResearchonRegistrationof3DDatainInspectionofMulti-pointFormingPart　　YanQingguang(JiLinUniversity,ChangChun,,China)　LiMingzhe　LiDongchengp1821651

Abstract:Inthispaper,anewmethodfortheglobalregistrationoftheCADmodelingdatatothe3Dmeasured

dataispresented.Itsolvestheproblemofregistrationof3Ddatapriortoshapeerrorinspectionofmulti-pointformingpart.Threeparametersareappliedofunitquaternionsmethodasoptimizingspace,andglobalroughregistrationbetweentheCADmodelingdataandthe3Dmeasureddataisobtained.ICPalgorithminwhichtheresultsofroughregistrationareusedasinitialvalueisprocessedforadjustingtheerrorandtoimprovethe

.Themethodaccuracyofregistrationoftwopointsets

solvestheproblemoflocalminimaofICPalgorithm,andthedescribedmethodisalsousefulinthefieldofcomparativeanalysisforprecisionmeasurement.Takingasaddlesurfacepartasanexample,someresultsarediscussed.

Keywords:multi-pointforming　　3Dmeasurement　　registration　　GA　　ICPalgorithmUnitModelingTechnologyandFEMSimulationforStretchReducingProcess　　ZangXinliang(YanshanUniversity,Qinhuangdao,Hebei,China)　DuFengshan　SunZenglanp165221654

Abstract:Accordingtothefeatureofstretchreducingprocess,anunitmodelingtechnologyforsimulatingthe

.Themodelofprocessincludingallpassesisoffers

stretchreducingprocessiscreatedandusedbyFEM

.Sisoftwaretosimulatetheprocessmulationresultsand

testdataarecoincidence.

Keywords:unitmodeling　　elastic-plasticFEM　　processsimulation　　stretchingreduction　　productqualityprediction

StudyonProcess-DimensionComplete-relativityModel　　WangQingwen(BeihangUniversity,Beijing,China)　TangYongp165421657

Abstract:Aprocess-dimensioncomplete-relativitymodelisputforwardinthepaper,whichprovidesatheorybaseforsystematicallyrepresentingcomplexdimensionrelationsinprocessplanning.Allkindsofprocessdimensionsandtheirrelationshipscanbe

.Anymodificationofaprocessexpressedinthemodel

dimensioncanmakeitsrelativeprocessdimensionchangedautomatically.Thispaperdiscussestheconceptandtheformaldefinitionofthemodel,givesthesearch

.Asamplealgorithmsofthemaindimensionrelationships

thatusesthismodelwillbedescribed.ThemodelhasbeenappliedandvalidatedinaCAPPsystemnamedOpenCAPP.

Keywords:CAPP　　complete-relativitymodel　　dimensionchain　　processdimensionFuzzyCostControlforNonlinearMechanicalSystem　　RenTingzhi(YanshanUniversity,Qinhuangdao,Hebei,China)　WuZhongqiangp165721659

Abstract:Theproblemofstablefuzzycostcontrolfornonlinearmechanicalsystemwithparametricuncertaintiesisstudied.Thenonlinearmechanicalsystemisdescribed

.FornonlinearmechanicalsystemwithbyTSfuzzymodel

normboundertime-varyingparametricuncertainty,asufficientconditionisderivedforstablefuzzycostcontroller,andtheLMIformisderivedaccordingly.Theapplicationinnonlinearmass-spring-dampermechanicalsystemshowsitsefficiency.

Keywords:nonlinearmechanicalsystem　　parametricuncertainty　　T-Smodel　　linearmatrixinequality(LMI)

HydraulicTransformerEnergy-savingApplicationsinHydraulicElevator　　OuyangXiaoping(ZhejiangUniversity,Hangzhou,China)　XuBing　YangHuayong　LiuHep166021662

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