基于响应面模型的轧辊冷却系统工艺参数优化方法
【专利摘要】一种基于响应面模型的轧辊冷却系统工艺参数优化方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）建立优化对象热轧轧制系统的热固耦合模型和对象轧辊的疲劳寿命预测模型；（2）选取多个轧辊冷却系统工艺参数作为优化变量，并确定其设计空间及优化目标，提取试验样本点，计算得到轧辊工作周期响应值；（3）根据得到的响应值，建立反映输入与输出关系的轧辊工作周期的二阶响应面模型；（4）根据响应面模型，确定轧辊工作周期最长时的轧辊冷却工艺参数值，并将优化结果带入疲劳寿命预测模型进行疲劳分析，验证冷却系统工艺参数，直到得到最优的工艺参数。本发明具有较高的可靠性，适用性和可操作性，能够有效提高在采用热轧工艺中的轧辊零件疲劳寿命。
【专利说明】
基于响应面模型的$1撮冷却系统工艺参数优化方法
技术领域
[0001 ]本发明设及一种机械加工技术，尤其是一种社漉加工技术，具体地说是一种基于 响应面模型的社漉冷却系统工艺参数优化方法。它特别适合对社制过程中各型社漉冷却系 统的工艺参数进行优化设计。
【背景技术】
[0002] 众所周知，社漉作为社制过程的消耗件，价格昂贵，其受到复杂恶劣的周期性交变 应力，包括热应力、社制应力、支撑反力等，表面易产生疲劳裂纹，严重影响产品质量。目前， 一般中厚板卷厂每一个班次(8小时）就要对社漉进行修磨。因此有必要提出一种切实可行 的，实际有效的提局社漉寿命的方法。
[0003] 在社漉社制过程中，冷却水的冷却作用对社漉表面溫度场及应力场分布有着重要 的影响，对社漉的疲劳寿命有较大的影响。因而可通过对冷却系统的冷却工艺参数(包括冷 却水压力、喷射角、水溫、水流密度等）的优化，提高社漉的疲劳寿命。而对于该参数传统的 优化设计方法主要通过单因素试验确定被优化参数的最优解范围，运种方法很难寻找出被 优化参数的具体数值，不能满足实际生产需求。因此，提出一种基于响应面模型的社漉冷却 系统工艺参数优化设计方法，解决确定最优冷却工艺参数精确值的问题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对现有的社漉冷却工艺参数的优化设计方法主要通过单因素 试验确定被优化参数的最优解范围，很难寻找出被优化参数的具体数值，不能满足实际生 产需求的问题，发明一种基于响应面模型的社漉冷却系统工艺参数优化方法，W提高社漉 疲劳寿命。
[0005] 本发明的技术方案是：
[0006] -种基于响应面模型的社漉冷却系统工艺参数优化方法，其特征在于，包括如下 步骤：
[0007] (1)建立优化对象热社社制系统的热固禪合模型和对象社漉的疲劳寿命预测模 型；
[0008] (2)选取多个社漉冷却系统工艺参数作为优化变量，并确定其设计空间及优化目 标，提取试验样本点，并通过步骤(1)中模型计算得到社漉工作周期响应值；
[0009] (3)根据步骤(2)中计算得到的响应值，建立反映输入与输出关系的社漉工作周期 的二阶响应面模型；
[0010] (4)根据响应面模型，确定社漉工作周期最长时的社漉冷却工艺参数值，并将优化 结果带入疲劳寿命预测模型进行疲劳分析，验证冷却系统工艺参数，直到得到最优的工艺 参数。
[001U 其中；
[0012]步骤(1)中所述的建立优化对象热社社制系统的热固禪合模型，包括如下步骤：
[0013] I)考虑社制系统的对称性，对实际模型的1/4进行分析，即建立上漉的1/2轴向、上 支撑漉的1/2轴向和社件的1/2厚度及1/2宽度的有限元模型，并添加材料属性，设置约束；
[0014] 2)在计算社漉溫度场时，考虑高溫社件与社漉之间的接触传热、冷却系统的对流 散热W及社漉在空气中的热福射，利用社漉模型坐标系的旋转模拟社制过程社漉周期变化 的热交换过程，W保证模型的精度；
[001引3)分别在社漉模型和社件模型、社漉模型和支撑漉模型之间设置接触，根据社制 工艺参数为社件设置压下量、线速度，为社漉添加角速度。
[0016] 步骤（1)中所述的建立社漉的疲劳寿命预测模型，W计算社漉疲劳裂纹萌生的时 间；建立社漉疲劳寿命预测模型时需结合社制系统热固禪合模型，并添加社漉材料的应力- 寿命曲线。
[0017] 步骤(2)中所述的优化变量是指结合社制生产现场条件W及在社制过程中可控的 冷却系统工艺参数。
[0018] 步骤(2)中所述的优化变量的设计空间是指包含了最优冷却工艺参数的参数变化 范围。
[0019] 步骤(2)中所述的优化目标是指社漉在萌生疲劳裂纹前社漉工作周期最长。
[0020] 步骤(2)中所述的疲劳寿命分析的试验样本点是根据非线性试验设计方法确定合 理的试验点。
[0021 ]步骤(2)中所述的响应值的计算包括：
[0022] 1)运用有限元分析软件对试验样本点进行热固禪合分析，提取出关键位置节点的 应力状态；
[0023] 2)基于有限元疲劳分析软件对社漉进行疲劳寿命分析，得到社漉在萌生疲劳裂纹 前的工作周期即为响应值。
[0024] 步骤(3)中对于n个设计变量的二阶响应面模型表示为：
[0025]
[0026] 化*比丄'1戸^^^;乂1为设计变量一冷却工艺参数；11为设计变量 的个数;e为待定系数，由最小二乘法拟合得到。
[0027] 步骤(4)中所述的通过步骤(3)构建的响应面，获得社漉工作周期最长时的社漉冷 却工艺参数值，将优化结果作为疲劳寿命预测模型边界条件进行疲劳分析，对比冷却工艺 参数优化前后疲劳寿命分析结果，若优化后的冷却工艺参数能够显著延长社漉的工作周 期，则满足要求，优化结束并输出优化结果，否则，重新构建响应面，继续优化。
[0028] 本发明的有益效果：
[0029] 本发明将热社社漉社制过程非线性有限元分析与响应面优化方法相结合，提高了 冷却工艺参数的优化效率与精度，通过冷却系统工艺参数的优化设计，可增大社漉的工作 周期，有效延长使用寿命。解决了现有优化技术中难W保证结果精确及最优等问题，具有较 高的可靠性，适用性和可操作性。
【附图说明】
[0030]图I是本发明的社制系统示意图。
[0031 ]图2是本发明的冷却系统工艺参数优化设计技术流程图。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0033] 如图1-2所示。
[0034] -种基于响应面模型的社漉冷却系统工艺参数优化方法，包括如下步骤：
[0035] 1.建立优化对象热社社制系统(如图1所示)的热固禪合模型和对象社漉的疲劳寿 命预测模型。
[0036] 建立优化对象热社社制系统的热固禪合模型的步骤为：
[0037] (1)考虑社制系统的对称性，对实际模型的1/4进行分析，即建立上漉的1/2轴向、 上支撑漉的1/2轴向和社件的1/2厚度及1/2宽度的有限元模型，并添加材料属性，进行合理 的约束；
[0038] (2)在计算社漉溫度场时，考虑高溫社件与社漉之间的接触传热、冷却系统的对流 散热W及社漉在空气中的热福射，利用社漉模型坐标系的旋转模拟社制过程社漉周期变化 的热交换过程，保证了模型的精度；
[0039] (3)分别在社漉模型和社件模型、社漉模型和支撑漉模型之间设置接触，根据社制 工艺参数为社件设置压下量、线速度，为社漉添加角速度。
[0040] 建立社漉的疲劳寿命预测模型，需结合社制系统热固禪合模型，提取热固禪合模 型计算得到的载荷信息，并添加社漉材料的应力-寿命曲线。
[0041] 2.选取多个社漉冷却系统工艺参数作为优化变量，并确定其设计空间及优化目 标，提取试验样本点，并通过步骤1中模型计算得到社漉工作周期响应值。
[0042] 在本发明中，W某中厚板卷厂社制冷却系统中可供调整的冷却水压力、冷却水溫 度和冷却水水流密度作为优化变量。可W理解的是，除了运=者，也可W选择其它冷却工艺 参数作为优化变量，本发明中仅仅是W冷却水压力、冷却水溫度和冷却水水流密度进行示 例性说明，并非对本发明的限制。
[0043] 本发明中所述的优化目标是指社漉在萌生疲劳裂纹前的工作周期最长。
[0044] 发明中的设计空间是指作为优化变量的冷却工艺参数的变化范围，选取冷却水压 力、冷却水溫度和冷却水水流密度为考察因素，W社漉萌生疲劳裂纹前的工作周期为评价 指标，进行单因素试验，确定各优化变量的设计空间，如表1所示。
[0045] 表1优化变景的设计空间
[0047] 本及巧巧J/|、1兀化巧订雙重，巧巧非巧巧巧粒巧订々化化瑕rn、试验样本点，其中 包含5个中屯、点。将选取的试验样本点代入步骤1中建立的模型计算得到响应值，响应值的
[0046] 计算包括：
[0048] (1)运用有限元分析软件对试验样本点进行热固禪合分析，提取出关键位置节点 的应力状态；
[0049] (2)基于有限元疲劳分析软件对社漉进行疲劳寿命分析，得到社漉在萌生疲劳裂 纹前的工作周期即为响应值。
[0050] 试验样本点的响应值计算结果如表2所示。
[0051] 表2试验样本点的响应值
[0化2]
[0化3]
[0054] 3.根据步骤2中计算得到的响应值，建立反映输入与输出关系的社漉工作周期的 二阶响应面模型。
[0055] 本发明选取二阶响应面模型进行社漉冷却系统工艺参数的优化设计。将冷却系统 工艺参数作为输入变量，社漉工作周期作为输出变量，对计算结果数据进行多元回归拟合， 得到社漉萌生疲劳裂纹前的工作周期对冷却水压力、冷却水溫度和冷却水水流密度的二次 多项式回归模型为：
[0化6]
[0057] 式中:y为社漉工作周期;&为冷却水压力;拉为水流密度;&为冷却水压力。
[0058] 4.根据响应面模型，确定社漉工作周期最长时的社漉冷却工艺参数值，并将优化 结果带入疲劳寿命预测模型进行疲劳分析，验证冷却系统工艺参数优化设计的可靠性。
[0059] 在步骤3建立的二阶响应面模型的基础上，运用正则分析法对模型进行优化，可W 获得1组或者几组满足正则算法的解，所有解中包含了最优解，选择响应变量最大的那组解 即为社制工作周期最长时的冷却工艺参数值。
[0060] 为了验证优化得到的结果，重新建立社漉热固禪合模型及疲劳寿命预测模型，对 比冷却工艺参数优化前后疲劳寿命分析结果，如果优化后的冷却工艺参数能够显著延长社 漉的工作周期，则满足要求，优化结束并输出优化结果，否则，重新构建响应面，继续优化。 [0061 ] 优化前，实际生产过程中冷却系统中冷却水压力为1.1M化、水流密度0.04L/min/ mm2、冷却水溫度为30°C，社漉萌生裂纹前的工作周期为13.33小时。而优化后，冷却水压力 1.21MPa、水流密度0.08L/min/mm2、冷却水溫度为8.38°C，社漉工作周期为14.82小时，提高 了11.2%。
[0062 ]整个优化过程如图2所示。
[0063] W上仅就本发明较佳的实例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发 明不仅局限于W上实例，其具体优化变量允许有变化。总之，凡在本发明独立权利要求的保 护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。
[0064] 本发明未设及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加 W实现。
【主权项】
1. 一种基于响应面模型的乳辊冷却系统工艺参数优化方法，其特征在于，包括如下步 骤： (1) 建立优化对象热乳乳制系统的热固耦合模型和对象乳辊的疲劳寿命预测模型； (2) 选取多个乳辊冷却系统工艺参数作为优化变量，并确定其设计空间及优化目标，提 取试验样本点，并通过步骤(1)中模型计算得到乳辊工作周期响应值； (3) 根据步骤(2)中计算得到的响应值，建立反映输入与输出关系的乳辊工作周期的二 阶响应面模型； (4) 根据响应面模型，确定乳辊工作周期最长时的乳辊冷却工艺参数值，并将优化结果 带入疲劳寿命预测模型进行疲劳分析，验证冷却系统工艺参数，直到得到最优的工艺参数。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1)所述的建立优化对象热乳乳制系 统的热固耦合模型，包括如下步骤： (1) 考虑乳制系统的对称性，对实际模型的1/4进行分析，即建立上辊的1/2轴向、上支 撑辊的1/2轴向和乳件的1/2厚度及1/2宽度的有限元模型，并添加材料属性，设置约束； (2) 在计算乳辊温度场时，考虑高温乳件与乳辊之间的接触传热、冷却系统的对流散热 以及乳辊在空气中的热辐射，利用乳辊模型坐标系的旋转模拟乳制过程乳辊周期变化的热 交换过程，以保证模型的精度； (3) 分别在乳辊模型和乳件模型、乳辊模型和支撑辊模型之间设置接触，根据乳制工艺 参数为乳件设置压下量、线速度，为乳辊添加角速度。3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1)所述的建立乳辊的疲劳寿命预测 模型，以计算乳辊疲劳裂纹萌生的时间；建立乳辊疲劳寿命预测模型时需结合乳制系统热 固耦合模型，并添加乳辊材料的应力-寿命曲线。4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)所述的优化变量是指结合乳制生 产现场条件以及在乳制过程中可控的冷却系统工艺参数。5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)所述的优化变量的设计空间是指 包含了最优冷却工艺参数的参数变化范围。6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)所述的优化目标是指乳辊在萌生 疲劳裂纹前乳辊工作周期最长。7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)所述的疲劳寿命分析的试验样本 点是根据非线性试验设计方法确定合理的试验点。8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述的响应值的计算包括： (1) 运用有限元分析软件对试验样本点进行热固耦合分析，提取出关键位置节点的应 力状态； (2) 基于有限元疲劳分析软件对乳辊进行疲劳寿命分析，得到乳辊在萌生疲劳裂纹前 的工作周期即为响应值。9. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于:步骤(3)中对于η个设计变量的二阶响应面 模型表示为：式中：y为输出变量一乳辊工作周期;Xi为设计变量一冷却工艺参数;η为设计变量的个 数;β为待定系数，由最小二乘法拟合得到。10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:步骤(4)通过步骤(3)构建的响应面，获得 乳辊工作周期最长时的乳辊冷却工艺参数值，将优化结果作为疲劳寿命预测模型边界条件 进行疲劳分析，对比冷却工艺参数优化前后疲劳寿命分析结果，若优化后的冷却工艺参数 能够显著延长乳辊的工作周期，则满足要求，优化结束并输出优化结果，否则，重新构建响 应面，继续优化。
【文档编号】G06F17/50GK105956326SQ201610349243
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】苏小平, 李智, 王东方, 包圳
【申请人】南京工业大学