无缝钢管斜轧穿孔过程的deform有限元建模的制作方法
【专利摘要】无缝钢管被广泛应用于汽车、航空、石油、化工、建筑、锅炉和军工等各个部门，被人们称为工业的血管。各领域对无缝钢管的质量，尤其是尺寸精度，要求越来越高。管坯穿孔是热轧无缝钢管生产的第一道变形工序，对其产品质量有很大的影响。本发明以宝钢无缝钢管厂穿孔生产设备——狄塞尔斜轧穿孔机为研究对象，建立了无缝钢管穿孔生产过程的DEFORM有限元模型。穿孔过程DEFORM有限元模型可以代替实际生产，作为生产过程模拟平台，用于工艺参数的优化和控制算法的检验，从而大大降低了调试时间和生产成本，具有较大的理论意义和实用价值。最后将DEFORM有限元模型与ELM网络数学模型结合组成混合模型，进一步提高质量预报精度。
【专利说明】无缝钢管斜轧穿孔过程的DEFORM有限元建模
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种无缝钢管斜轧穿孔过程的建模方法，具体是一种无缝钢管斜轧穿孔过程的DEFORM有限元建模方法，及在DEFORM有限元建模基础上的混合建模方法。
【背景技术】
[0002]无缝钢管作为一种经济断面钢材，在国民经济中占有很重要的地位，广泛用于化工、石油、电站、锅炉、航空、汽车、机械制造、船舶、航天、地质、能源、建筑及军工等各个部门.生产无缝钢管的三个变形工序是穿孔、轧管、减径。管坯穿孔是热轧无缝钢管生产流程中的第一道变形工序，二辊斜轧穿孔由两个相对轧制线倾斜布置的桶形轧辊、两个导盘的和一个位于其中间的顶头所构成，如图1所示.由于轧管工具形状的复杂，变形工具既有旋转运动，又有直线运动，所受外力除轧辊、导盘(或导板)、顶头外有的还有前后张力，而且影响穿孔过程的因素很多，包括:轧辊、顶头、导盘、送进角、辗轧角、入口锥角、出口锥角等等，这些因素导致轧管工序变形空间的几何学、力学和运动学的分析十分复杂，因此精确地确定穿孔时参数是设计和生产中都有待解决的关键问题.斜轧穿孔的工艺参数是穿孔机设计考虑的主要参数，它对无缝钢管穿孔过程能否顺利完成，以及穿孔能耗起着决定作用.但是钢管斜轧穿孔过程金属变形非常复杂，金属流动规律难以掌握.实际工作中，人们往往依靠经验或借鉴同类机组来选取穿孔过程的参数，所以很难较准确地把若干个参数调整好，进而也很难确保穿孔过程能够处于最佳状态，能耗达到最低.所以，通过研究建立穿孔过程三维有限元模型，来为日后优化控制提供模型，将优化的参数带入模型中仿真，可以避免在生产现场调试优化的参数，降低了不必要的损失.因此建立穿孔机三维模型，仿真穿孔过程具有非常重要的理论价值及实践意义.将DEFORM有限元分析法应用于斜轧穿孔过程建模中，建模精度较高，建模时间短.以DEFORM有限元建模方法为基础，结合现场实际数据，利用ELM算法建立基于DEFORM有限元和实际数据的混合模型。
【发明内容】
[0003]本发明的目的，是提供一种无缝钢管斜轧穿孔过程的DEFORM有限元建模方法，及在其基础上结合实际生产数据和ELM算法，提出的一种混合建模方法.有限元法是为了适应电子计算机的使用而发展起来的一种非常新颖和有效的数值计算方法.DEFORM (Design Environment for Forming)是由美国 Battle Columbus 实验室在八十年代早期开发的一套有限元分析软件，是一套基于工艺模拟系统的有限元系统(FEM)，适用于热、冷、温成形模拟，专门设计用于分析各种金属成形过程中的材料和温度三维流动，为实际生产提供极有价值的工艺分析数据。它处理的对象为复杂的三维零件、模具等，典型的应用包括锻造、挤压、镦头、轧制、自由锻、弯曲和其它成形加工手段。[0004](I)坯料尺寸、材质选择及单元划分
考虑到模拟计算时所用计算机的计算能力和计算时间以及实际生产所用管坯规格，选择模拟计算所用管坯为:直径Db=178mm;材质为AIS1-1045，相当于中国标号的45#钢；圆坯长度的确定一方面应保证轧件充满变形区并稍有盈余，另一方面要考虑缩短计算时间，本文取Lb=AOOmm ;为了减少穿孔时的壁厚不均,在管还咬入端设置定心孔,定心孔深h=10mm,直径d=30mm。将管坯使用15 000个四面体单元离散化。
[0005](2)几何模型的建立
实心坯斜轧孔型由轧辊和导盘构成，变形工具的主要尺寸、转速及调整参数如下:轧棍直径Dg=IOOOmm ;入口锥角β=2.75° ;转速ng=120r/min ;导盘直径Dp=1800mm ;转速np=26r/min ;送进角 α =12° ;辗轧角 Φ=0° ;轧棍距离 Bek=154.6mm ;导盘距离 Lek=173mm.轧辊、导盘、顶头在模拟中被认为是模具.轧辊、导盘和顶头的几何模型均按宝钢钢管厂生产所用尺寸规格建立，它们的三维图形如图2-5.在模拟过程中为了逼近生产现场情况，在管坯咬入阶段采用推杆(作用相当于生产中的推钢机)推动管坯进入孔腔.在顶头尾端同样设置了一个推杆，在模拟中的主要作用是将轧制出来的毛管套在上面，避免毛管轧出时由于旋转而造成弯曲.在斜轧过程中由于轧辊、导盘和顶头的变形量相对管坯很小，可以忽略不计.因此模拟中不考虑这些模型的变形而将其设置为刚性体.但是在温度模拟中，为了考虑轧辊、导盘及顶头与管坯之间的热交换，对这些模具也划分了必要的网格，但这些网格只有温度显示，没有变形发生.由于Deform-3D软件不具有很强的建模功能，则采用三维建模软件Pro/E建立实体模型，根据图1所示二辊斜轧原理图，建立三维模型如图6所示。
[0006](3)初始条件和边界条件的确定
(a)管坯单元的选取和划分
对于管坯的长度选择和网格划分数量，有三个方面的考虑:a模拟所用计算机的计算能力和模拟完成所需要的时间；b所用管坯长度能保证管坯充满变形区并且能达到稳定轧制；c模拟能达到理想的效果。鉴于这三方面的原因，本文经过多次试取，最终管坯长度定为550 mm，划分60 000个网格。如图7所示.(b)力学边界
管坯和模具之间的摩擦系数基本相同，即轧辊与管坯之间的摩擦系数为0.4，导盘与管坯之间的摩擦系数为0.3，顶头与管坯之间的摩擦系数同样为0.3.(c)温度边界
管坯初轧温度为1200°C，轧辊工作温度为150°C，导盘初始温度设置为100°C，顶头初始温度设置为100°C.(d)运动条件
轧辊和导盘均按照生产实际的转速设定，当管坯被咬入后，管坯在轧辊和导盘摩擦力的带动下进行轧制，完成穿孔过程的有限元模拟.除了轧件头部和尾部，轧件在整个穿孔过程的变形可看作是一个稳态变形，只对该阶段进行分析。
[0007]4)有限元模拟
根据给定的实际二辊斜轧穿孔机的轧辊、导盘、推杆等实际参数值，首先利用DEF0RM-3D前处理器设置各个必要的参数值，然后生数据库，模拟求解整个穿孔过程，最后在后处理器中仿真穿孔过程，其中图8和图9为仿真过程截图，图10为穿孔过程数据监测。
[0008](5)混合建模
混合建模就是将被DEFORM建模方法与ELM数据建模方法融合起来共同完成.在采用混合建模方法的系统建模过程中，首先对实际系统已知的部分进行DEFORM建模.DEFORM模型是整个混合模型的基础，但进行DEFORM建模时，对对象必须提出合理的简化假定，否则会使问题过于复杂化，但这些假定往往不一定能符合实际情况.另外，过程的某些外部扰动的作用也可能不断变化，而且又难以精确描述，诸如此类的原因导致DEFORM模型与实际模型存在一定的偏差.为识别这类偏差，利用ELM进行DEFORM模型基础上的系统辨识，将ELM网络作为模型误差的估计器叠加到DEFORM模型上.在采用ELM网络和DEFORM模型的混合建模方法中，DEFORM建模的输出和ELM网络的输出共同构成模型的最终输出，建模方式如图11所示。
[0009](6)仿真验证
取某钢厂Sffff斜轧穿孔机2013年40根20号钢管坯穿孔生产数据，分成两组:前25根用来建立质量预报模型，后15根用来测试模型，检验其对毛管质量的预估精度.利用相同的工艺参数建立穿孔过程DEFORM模型，得到仿真数据，同时采集试验数据，建立混合模型，得到图12和图13的结果。
[0010]
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是二辊斜轧穿孔原理图.图2是斜轧穿孔机轧辊零件图 图3是斜轧穿孔机钢坯零件图 图4是斜轧穿孔机导盘零件图 图5是斜轧穿孔机顶杆零件图 图6是二辊斜轧穿孔三维模型图.图7是钢坯网格划分图.图8是穿孔过程仿真图.图9是穿孔过程的剖视图.图10是穿孔过程的数据分析图.图11混合模型结构图.图12横向壁厚误差预报图.图13纵向壁厚误差预报图。
【权利要求】
1.以DEFORM有限元方法建立无缝钢管生产的关键设备一斜轧穿孔机的三维有限元模型。
2.将DEFORM有限元模型与ELM网络数学模型结合组成的混合模型。
【文档编号】G06F17/50GK103886159SQ201410131330
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年4月3日 优先权日:2014年4月3日
【发明者】肖冬, 施少华 申请人:东北大学