加热炉坯料运动仿真方法与流程

本发明涉及计算流体力学技术领域，更具体地，涉及一种加热炉坯料运动仿真方法。

背景技术：

面向钢铁行业节能降耗背景下的迫切需求，以钢坯加热过程为研究对象，对加热过程进行仿真。

通过在计算机内对步进梁式钢坯加热炉进行“虚拟”的实验，以克服现有技术中真实实验过程中存在的成本高、周期长、环境受限等缺陷。

技术实现要素：

本发明提供一种加热炉坯料运动仿真方法，用于克服现有技术的缺陷，旨在降低实验成本、缩短实验周期。

为实现上述目的，本发明提供一种加热炉坯料运动仿真方法，包括：

基于待模拟的加热炉结构及通过所述加热炉同时进行加热的多根坯料，建立加热炉及所有坯料的三维仿真模型；

按照预设的条件确定所述坯料三维仿真模型运动的约束和驱动模式；

根据所述驱动模式对所述坯料经过所述加热炉的运动经adams(automaticdynamicanalysisofmechanicalsystems，机械系统动力学自动分析系统，以下简称adams)系统进行仿真。

优选地，所述根据待模拟的加热炉的结构及批量坯料的自身的形状结构、分布位置以及与加热炉的相对位置，建立加热炉及所有坯料的三维仿真模型包括：

根据待模拟的加热炉的结构建立加热炉的三维仿真模型；

以所述加热炉三维仿真模型为参照，根据待模拟的所述坯料在加热炉中的步进运动状况及所述坯料的形状建立所述坯料的三维仿真模型。

优选地，所述根据待模拟的加热炉的结构建立加热炉的三维仿真模型包括：

在solidworks环境中建立加热炉的三维结构；

对建立的加热炉的三维结构进行简化处理；

将所述加热炉的三维结构导入adams系统中形成所述加热炉的三维仿真模型。

优选地，所述以所述加热炉三维仿真模型为参照，根据待模拟的所述坯料在加热炉中的步进运动状况及所述坯料的形状建立所述坯料的三维仿真模型包括：

根据待模拟的所述坯料在加热炉中的步进运动状况，确定所述坯料的空间位置；

根据所述空间位置及所述坯料的形状，在solidworks环境中建立坯料的三维结构；

对建立的坯料的三维结构表面进行简化处理；

将所述坯料的三维结构导入adams系统中形成所述坯料的三维仿真模型。

优选地，所述按照预设的条件确定所述坯料三维仿真模型的驱动模式包括：

按照预设的条件下坯料的动作确定所述坯料的自由度指数；

根据所述预设的条件下所述坯料的运动状态确定驱动函数；

将所述坯料的自由度指数及驱动函数分别加载到每根所述坯料的三维仿真模型上。

本发明提供的加热炉坯料运动仿真方法，在加热炉设计中引入adams软件进行动力学仿真，首先根据待模拟的加热炉的结构及初始位置时批量坯料的自身的形状结构、分布位置以及与加热炉的相对位置，建立三维仿真模型；根据预设条件设定驱动模式，将驱动模式加载到坯料上之后，对每一坯料从初始位置向终点位置的运动进行仿真；通过计算机采取adams软件对加热炉及通过加热炉的坯料的运动进行仿真实验，可以减少设计失误和实验研究所需的费用，预测炉内钢坯的运动情况，通过相应技术对各项指标进行优化计算，以达到高效、稳定运行的目标、具有成本低、周期短、环境宽的优点、同时adams软件操作实现简单，具有巨大的实际应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例提供的加热炉坯料运动仿真方法的流程图；

图2为图1中步骤s10的细化流程图；

图3为图2中步骤s11的细化流程图；

图4为图2中步骤s12的细化流程图；

图5为图1中步骤s20的细化流程图；

图6为本发明实施例中加热炉的三维仿真模型的示意图；

图7为本发明实施例中加热炉及坯料三维仿真模型的初始状态示意图；

图8为本发明实施例中坯料经过加热炉的仿真状态示意图一；

图9为图8中坯料的状态示意图；

图10为本发明实施例中坯料经过加热炉的仿真状态示意图二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，本发明提供一种加热炉坯料运动仿真方法，包括：

步骤s10，根据待模拟的加热炉的结构及批量坯料的自身形状结构、分布位置以及与加热炉的相对位置，建立加热炉及所有坯料的三维仿真模型；

在本发明一实施例中，以64根钢坯作为一批量的坯料通过加热炉进行加热，64根钢坯在x、y轴正交形成的垂直面上以纵向轴y向平行排列；64根钢坯从右至左依次为a1、a2、a3……ai……a64；加热炉的长度方向在沿垂直轴z向设置，初始位置时，其中第一根钢坯a1靠近加热炉进料口的位置，如此再根据加热炉的结构及尺寸以及钢坯的结构及尺寸即可完成三维仿真模型的建模。

其中，参见图2，步骤s10包括：

步骤s11，根据待模拟的加热炉的结构建立加热炉的三维仿真模型；参见图6，下面以步进梁式钢坯加热炉为例进行说明：

其中，参见图3，步骤s11包括：

步骤s111，在solidworks环境中建立加热炉的三维结构；基于待处理的步进梁式钢坯加热炉的结构，使用solidworks软件cad模块建立加热炉的三维结构。

步骤s112，对建立的加热炉的三维结构表面进行简化处理；根据求解需求对整个模型进行简化处理，包括对建立的加热炉的三维结构表面的小圆角进行去除处理，并对建立的加热炉的三维结构表面的小尖角进行平滑处理；这些微小结构在求解过程中计算过程比较复杂，并且对求解的结果影响较小，因此在adams仿真系统中通常对类似上述的这些微小结构进行简化处理，以缩短仿真运算时间。

步骤s113，将加热炉的三维结构导入adams系统中形成加热炉的三维仿真模型。将在solidworks中建立好的模型以x_t格式保存，导入到adams软件中。

步骤s12，以加热炉三维仿真模型为参照，根据待模拟的坯料在加热炉中的步进运动状况及坯料的形状建立坯料的三维仿真模型，参见图7。

其中，参见图4，步骤s12包括：

步骤s121，根据待模拟的坯料在加热炉中的步进运动状况，确定坯料的空间位置；确定模拟的步进梁式钢坯加热炉钢坯步进运动情况，确立其在空间的位置，首先确定模拟的钢坯所在的平面，是在x、y轴形成的水平面上，还是在x、z轴形成的垂直面上，或在y、z轴形成的垂直面上；本实施例中钢坯是x、y轴形成的水平面上沿y轴方向排列，并以第一根钢坯靠近加热炉进料口位置为初始位置；

步骤s122，在solidworks环境中建立坯料的三维结构；对其使用solidworks软件cad模块，根据所需对步进梁式钢坯加热炉的钢坯建立三维结构；

步骤s123，对建立的坯料的三维结构表面进行简化处理；根据求解需求对整个模型进行简化处理，包括对建立的坯料的三维结构表面的小圆角进行去除处理，并对建立的坯料的三维结构表面的小尖角进行平滑处理；这些微小结构在求解过程中计算过程比较复杂，并且对求解的结果影响较小，因此在adams仿真系统中通常对类似上述的这些微小结构进行简化处理，以缩短仿真运算时间。

步骤s124，将坯料的三维结构导入adams系统中形成坯料的三维仿真模型。这样在adams系统中就形成了加热炉b以及坯料a的三维仿真模型。参见图7。其中加热炉b的顶部具有多个平焰烧嘴c。

步骤s20，按照预设的条件确定坯料三维仿真模型运动的驱动模式；

这里可以根据待模拟的坯料的材料属性确定坯料三维仿真模型运动的预设条件。

在本发明一实施例中，参见图8～10，第一根钢坯a1首先在设定的时间间隔内沿y向上移动一预定距离y0，移动至出料口时，再在z向上按照预定步长z0(这里是245mm)步进；后面的第二根钢坯a2间隔3分钟(在第一根钢坯a1开始动作3分钟后，开始沿y向上动作，向进料口方向移动，此后重复第一根钢坯a1的动作；后面的钢坯依次重复上述动作；

其中，参见图5，步骤s20包括：

步骤s21，按照预设的条件下坯料的动作确定坯料的自由度指数；

按照整个步进梁式钢坯加热炉的运动情况，给每个部件添加约束，减少其自由度到指定数值；例如在上述实施例中，钢坯能够在水平面上沿y、z轴两个方向移动，则只有在这两个方向上的移动的自由度为1，其余沿x轴的移动、绕x、y、z轴三个方向的转动的自由度均约束为0，在何时给这两个方向上施加驱动力通过下面的步骤22实现。

步骤s22，根据预设的条件下坯料的运动状态确定驱动函数；根据每个钢坯不同的运动情况确定相应的驱动函数，其通用函数为：

x轴：disp(time)＝0*time

y轴：disp(time)＝if(aint(time/180)-n:120*(aint(time/180)),120*n,120*n)

z轴：disp(time)＝

if(aint(time/180)-n:0,-245*(aint(time/180)-n),-245*(aint(time/180)-n))

其中n为第n个进入钢坯加热炉的钢坯，z轴为钢坯的运动方向。if函数的作用：aint(time/180)-n为判断数，若aint(time/180)-n<0则disp(time)＝120*(aint(time/180))，若aint(time/180)-n＝0则disp(time)＝120*n(前一个)，若aint(time/180)-n>0，则disp(time)＝120*n(后一个)其中aint为取整函数。

模拟过程如下：模拟开始0～3mins内，第一根钢坯停止不动；第3mins时，第一根钢坯首先在y向移动120mm，y轴是向上移动的过程，这个过程代表入料，假设n取10，那么从公式上看，在10*180秒前，第十个钢坯在y轴向上移动(在这里因为选取的参考面视角的问题，y轴是向上移动的轴，z轴是水平移动的轴)，具体来讲，在180秒之前，钢坯静止，到180秒，钢坯向上移动120mm，到360秒，又向上移动120mm，直到第10*180秒，移动到10*120的位置，之后固定在10*120的位置，y轴向上移动入料的过程结束。之后是z轴水平移动，这里还是选取参考面视角的问题，造成每向右移动245mm是需要乘以负的245mm。

如果模拟的运动不同，需要根据具体情况修改上述通用函数中的具体参数即可，相对于现有技术，驱动函数简单易懂，大大缩短了设置驱动函数的时间，此外也简化了驱动程序，运算更为简单，仿真状态更为流畅，节约了运算资源。

获得驱动函数后，将所述坯料的自由度指数及驱动函数分别加载到每根所述坯料的三维仿真模型上。根据每个钢坯不同的运动情况加载相应的驱动。

步骤s30，根据驱动模式对坯料经过加热炉的运动经adams系统进行仿真。

上述方案能克服现有钢坯步进运动仿真中操作过程复杂和驱动函数复杂等缺陷，实现了操作过程简单和驱动函数的简化，适用范围广和可靠性高的优点。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。