一种一键全流程轧制热力耦合模拟方法及系统

1.本发明涉及钢铁轧制数值模拟技术领域，特别是指一种一键全流程轧制热力耦合模拟方法及系统。


背景技术：

2.钢铁轧制技术是以金属可塑性为基础，用压力加工方法得到各种尺寸和断面形状以及不同机械和物理性能的扎制品的应用技术。在钢铁轧制技术中应用数值模拟技术是优化轧制工艺和提高产品质量快捷且有效的研究途径，是当今钢铁工业智能制造的重要组成部分。
3.然而现有技术中，在操作人员技术水平方面，全流程钢铁轧制模拟过程需要操作人员具备对数值模拟、轧制工艺相关的丰富知识储备和模拟软件熟练的操作经验，并且在模拟过程中道次间轧件继承、翻钢、数据继承和传递、初始轧件定位、网格边界提取与网格重构等操作均需在每一道次计算完毕后由操作人员人工控制，效率较低。在模拟过程方面，现有技术仅对单道次模拟存在效率低、断面凭经验拟合、模型数据难以继承等影响尺寸精度的问题，导致模拟结果和现场实际测量结果相距甚远。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供了一种一键全流程轧制热力耦合模拟方法及系统。所述技术方案如下：一方面，提供了一种一键全流程轧制热力耦合模拟方法，该方法由电子设备实现，该方法包括：基于轧制规程文件以及模拟工艺库，获得轧制工艺数据，根据所述轧制工艺数据转化得到轧制工艺模拟参数。
5.基于所述轧制工艺模拟参数以及模拟数据库，获得轧辊导卫模型、工作路径和初始轧件二维模型。
6.将所述初始轧件二维模型进行拉伸转化操作，获得初始轧件三维模型。
7.当接收到一键全流程轧制模拟指令，调用求解器，使用所述轧辊导卫模型、所述工作路径和所述初始轧件三维模型进行轧制流程模拟，得到全流程模拟结果。
8.根据所述全流程模拟结果，获得轧制流程模拟演示动画，将轧制流程模拟演示动画输入显示器显示。
9.可选地，所述模拟工艺库包括除鳞、道次间隙和不同形式的轧制过程数据，以及翻钢环节的工艺数据。
10.可选地，所述模拟数据库包括轧辊导卫模型库和初始轧件模型库。
11.可选地，所述将所述初始轧件二维模型进行拉伸转化操作，获得初始轧件三维模型，包括：基于所述初始轧件二维模型沿轧制方向建立初始轧件三维单元模型，设定拉伸长
度和拉伸份数将多个三维单元模型在拉伸方向上堆叠组合获得初始轧件三维模型。
12.可选地，所述调用求解器，使用所述轧辊导卫模型、所述工作路径和所述初始轧件三维模型进行轧制流程模拟，得到全流程模拟结果，包括：根据所述初始轧件三维模型建立边界条件；使用求解器，根据所述边界条件、所述轧件轧辊导卫模型、所述工作路径和所述初始轧件三维模型，完成设定的所有道次的轧制，获得全流程模拟结果。
13.可选地，所述根据所述边界条件、所述轧件轧辊导卫模型、所述工作路径和所述初始轧件三维模型，完成设定的所有道次的轧制，获得全流程模拟结果，包括：s61、设置总道次数为n，当前道次数为i，令i=1；s62、判断i是否大于n，如果i大于n，则转去执行步骤s66，如果i小于或等于n，则执行步骤s63；s63、根据所述边界条件，将经过第i-1道次轧制后的轧件三维模型继承至工作路径上，完成第i道次的轧件定位操作；s64、根据轧辊导卫模型，进行第i道次的轧辊定位操作；s65、根据第i-1道次轧制后的轧件三维模型、工作路径以及轧件轧辊导卫模型和工艺设置，进行第i道次的轧件翻钢操作，获得经过第i道次轧制后的轧件三维模型，保存轧件三维模型的几何形状、温度数据并继承至i+1道次的工作路径，令i=i+1，执行步骤s62；s66、停止模拟，获得全流程模拟结果。
14.另一方面，提供了一种一键全流程轧制热力耦合模拟系统，该系统应用于实现一键全流程轧制热力耦合模拟方法，所述一键全流程轧制热力耦合模拟系统包括电子设备和显示器，其中：所述电子设备，用于根据轧制规程文件以及模拟工艺库，获得轧制工艺数据，根据所述轧制工艺数据转化得到轧制工艺模拟参数；根据所述轧制工艺模拟参数以及模拟数据库，获得轧辊导卫模型、工作路径和初始轧件二维模型；根据所述初始轧件二维模型进行拉伸转化操作，获得初始轧件三维模型；当接收到一键全流程轧制模拟指令，调用求解器，使用所述轧辊导卫模型、所述工作路径和所述初始轧件三维模型进行轧制流程模拟，得到全流程模拟结果；根据所述全流程模拟结果，获得轧制流程模拟演示动画，将轧制流程模拟演示动画输入显示器显示。
15.所述显示器，用于显示所述轧制流程模拟演示动画。
16.可选地，所述模拟工艺库包括除鳞、道次间隙和不同形式的轧制过程数据，以及翻钢环节的工艺数据。
17.可选地，所述模拟数据库包括轧辊导卫模型库和初始轧件模型库。
18.可选地，所述电子设备，进一步用于：基于所述初始轧件二维模型沿轧制方向建立初始轧件三维单元模型，设定拉伸长度和拉伸份数将多个三维单元模型在拉伸方向上堆叠组合获得初始轧件三维模型。
19.可选地，所述电子设备，进一步用于：根据所述初始轧件三维模型建立边界条件；使用求解器，根据所述边界条件、所述轧件轧辊导卫模型、所述工作路径和所述初始轧件三维模型，完成设定的所有道次的轧制，获得全流程模拟结果。
20.可选地，所述电子设备，进一步用于：s61、设置总道次数为n，当前道次数为i，令i=1；s62、判断i是否大于n，如果i大于n，则转去执行步骤s66，如果i小于或等于n，则执行步骤s63；s63、根据所述边界条件，将经过第i-1道次轧制后的轧件三维模型继承至工作路径上，完成第i道次的轧件定位操作；s64、根据轧辊导卫模型，进行第i道次的轧辊定位操作；s65、根据第i-1道次轧制后的轧件三维模型、工作路径以及轧件轧辊导卫模型和工艺设置，进行第i道次的轧件翻钢操作，获得经过第i道次轧制后的轧件三维模型，保存轧件三维模型的几何形状、温度数据并继承至i+1道次的工作路径，令i=i+1，执行步骤s62；s66、停止模拟，获得全流程模拟结果。
21.另一方面，提供了一种电子设备，所述电子设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由所述处理器加载并执行以实现上述一键全流程轧制热力耦合模拟方法。
22.另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现上述一键全流程轧制热力耦合模拟方法。
23.本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：本发明将繁琐复杂的全轧程数值模拟工作，转化为自动读取轧制规程、建立各工艺环节计算模型、处理轧件模型的数据继承传递、后台调用求解器一键提交计算和自动生成模拟结果。本发明可对轧制全流程或指定道次进行模拟，或基于热力耦合、结构进行模拟。本发明减小了轧制模拟从业者的工作强度，降低了轧制数值模拟工作人员的操作门槛。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1是本发明实施例提供的一种一键全流程轧制热力耦合模拟方法流程图；图2是本发明实施例提供的一种轧制模拟流程框图；图3是本发明实施例提供的一种一键全流程轧制热力耦合模拟系统框图；图4是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
26.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
27.本发明实施例提供了一种一键全流程轧制热力耦合模拟方法，该方法可以由电子设备实现，该电子设备可以是终端或服务器。如图1所示的一键全流程轧制热力耦合模拟方法流程图，该方法的处理流程可以包括如下的步骤：
s101、基于轧制规程文件以及模拟工艺库，获得轧制工艺数据，根据轧制工艺数据转化得到轧制工艺模拟参数。
28.其中，模拟工艺库包括除鳞、道次间隙和不同形式的轧制过程数据，以及翻钢环节的工艺数据。
29.其中，读取轧制规程文件，筛选模拟所需轧制工艺数据，并根据筛选的轧制工艺数据基于模拟工艺库添加轧制流程模拟所需的其他相关工艺数据。
30.其中，筛选过程可以包括：挑选轧制规程文件中模拟所需数据，如辊缝、机架间距、翻钢、轧制速度等；剔除过程可以包括：剔除轧制规程文件中模拟不需要的数据，如轧制力、压下量、轧件长度等；添加过程可以包括：添加轧制规程文件中不存在但模拟需要的数据，如摩擦系数、时间步长、图形参考间隔、模拟参考间隔等。
31.s102、基于轧制工艺模拟参数以及模拟数据库，获得轧辊导卫模型、工作路径和初始轧件二维模型。
32.其中，轧辊导卫模型是电子设备模拟出的轧辊和导卫的形状以及位置的数据，工作路径是电子设备模拟出的轧制流程工作的路径的形状以及位置的数据，初始轧件二维模型包括未经过轧制的轧件二维几何形状数据以及初始轧件相关数据。
33.其中，模拟数据库包括轧辊导卫模型库和初始轧件模型库。
34.可选地，模拟数据库提供模拟工艺库中所有轧制流程工艺相关的模型和数据，包括：除鳞、道次间隙、轧后冷却，单机架的两辊平轧、立轧、倾斜一定角度轧制、三辊轧制、万能轧制、半万能轧制，不同形式轧机组合的多机架连轧过程的轧辊、导卫以及初始轧件二维模型，以及往复轧制、翻钢等工艺环节初始轧件的几何形状、轧件入炉温度和轧件出炉温度等相关数据。
35.s103、将初始轧件二维模型进行拉伸转化操作，获得初始轧件三维模型。
36.其中，初始轧件三维模型包括未经过轧制的轧件三维几何形状数据以及初始轧件与建模相关的其他数据。
37.可选地，将初始轧件二维模型进行拉伸转化操作，获得初始轧件三维模型，包括：基于初始轧件二维模型沿轧制方向建立初始轧件三维单元模型，设定拉伸长度和拉伸份数将多个三维单元模型在拉伸方向上堆叠组合获得初始轧件三维模型。
38.一种可行的实施方式中，将二维单元拉伸建模形成三维轧件网格模型，为轧制流程模拟提供初始坯料模型、中间坯轧件模型以及相关的几何形状、轧件温度等数据。以z轴为轧制方向为例，拉伸方法为：将初始轧件二维模型移至原点构建初始轧件三维单元模型；建立n层与原二维单元x，y坐标一致，z坐标不同的初始轧件三维单元模型，第i层某个节点的z坐标计算公式如下式（1）所示：其中，l为所设拉伸长度，n为所设拉伸份数，为对应初始轧件三维单元模型的节点。
39.将相邻的两层初始轧件三维单元模型组合成八面体网格模型，直至所有初始轧件三维单元模型融合成一个整体，完成初始轧件二维模型到初始轧件三维单元模型的转化。
40.拉伸过程中可提取轧件的边界，根据拉伸建模前的二维轧件模型的网格分布，按照每个节点被单元使用的数量分为3类：被1个单元使用、被2个单元使用和被多个单元使用。分析可知，第1、2类节点属于边界节点。
41.将1、2类节点放入第一边界节点数组中，其所在单元设为边界单元。设定任意一个第2类节点作为目标节点。搜索与目标节点在同一个单元的第一边界节点数组节点。当搜索到的节点为第2类节点时，标记该节点所在单元并将该节点放入第二边界节点数组中。搜索到的节点为下一次搜索的目标节点，范围为未被标记单元内。
42.当搜索到第3类节点中属于边界点时，则需判断该单元其余3个节点是否满足属于未被标记边界单元的条件，满足条件时将该节点同时放入第一边界节点数组和第二边界节点数组中。
43.重复上述步骤，直到第二边界节点数组的节点数目等于第一边界节点数组的节点数目。提取第一边界节点数组与第二边界节点数组的节点，完成边界条件的确立。
44.s104、当接收到一键全流程轧制模拟指令，调用求解器，使用所述轧辊导卫模型、所述工作路径和所述初始轧件三维模型进行轧制流程模拟，得到全流程模拟结果。
45.可选地，步骤s104可以进一步包括下述步骤s1041-s1042；s1041、根据步骤s103建立边界条件；s1042、使用求解器，根据边界条件、轧件轧辊导卫模型、工作路径和初始轧件三维模型，完成设定的所有道次的轧制，获得全流程模拟结果。
46.可选地，步骤s1042中根据边界条件、轧件轧辊导卫模型、工作路径和初始轧件三维模型，完成设定的所有道次的轧制，获得全流程模拟结果，如图2可以进一步包括下述步骤s10421-s10426：s10421、设置总道次数为n，当前道次数为i，令i=1；s10422、判断i是否大于n，如果i大于n，则转去执行步骤s10426，如果i小于或等于n，则执行步骤s10423；s10423、根据边界条件，将经过第i-1道次轧制后的轧件三维模型继承至工作路径上，完成第i道次的轧件定位操作；一种可行的实施方式中，实现轧件模型定位功能，以轧制方向为z轴正向为例，压下方向为y时，轧件移动距离计算如下式（2）：其中，为轧辊z坐标最大值，为轧件z坐标最小值。其他轧制方向和压下方向同理。
47.s10424、根据轧辊导卫模型，进行第i道次的轧辊定位操作；一种可行的实施方式中，将轧辊定位问题转化为基于轧辊模型的辊缝执行问题，以压下方向为y方向为例，调整辊缝计算方法如下式（3）（4）：
其中，δy
上
为上辊辊缝平移量，δy
下
为下辊辊缝平移量，g
设计
为设计辊缝，g
执行
为执行辊缝。
48.轧辊定位功能还可用于多机架连轧中依据机架间距调整轧辊位置，以轧制方向为z轴正向为例，第k（k》1）台机架的平移距离计算如下式（5）：其中，d
ii-1
为第i-1和第i台机架的机架间距，ck为第k台机架的轧辊中心。
49.s10425、根据第i-1道次轧制后的轧件三维模型、工作路径以及轧件轧辊导卫模型和工艺设定，进行第i道次的轧件翻钢操作，获得经过第i道次轧制后的轧件三维模型，保存轧件三维模型的几何形状、温度数据并继承至i+1道次，令i=i+1，执行步骤s10422；一种可行的实施方式中，翻钢功能用于将需要翻钢的轧件模型完成任意角度、任意旋转中心的翻转，设坐标为（x,y）的节点以（x0,y0）为旋转中心翻转θ度后坐标为（x
′
,y
′
），（x
′
,y
′
）的计算方法如下式（6）（7）：一种可行的实施方式中，将每个工作路径计算完毕后的轧件模型及其相关数据信息继承至下个工作路径，包括：几何形状继承：将上个工作路径下的模拟完毕的结果直接保留几何形状继承至下个工作路径；拉伸截面继承：提取稳定轧制阶段的轧件截面，待其通过轧辊中心后，提取截面形状，并将该截面形状拉伸；网格重构继承：提取轧件截面后，根据需要进行轧制流程网格重构，并将其继承至下个工作路径。
50.一种可行的实施方式中，将每个工作路径计算完毕后的轧件温度及其相关数据信息继承至下个工作路径，包括：当轧制流程网格未进行重构时，可将上个工作路径下的数据模拟计算结果输出至本工作路径作为初始温度；当轧制流程网格进行重构时，则需进行数据映射继承计算，以温度数据为例，将目标节点搜索范围内的其他节点的温度值和其他节点与目标节点距离值输出，进行计算如下式（8）：
其中，di（di》0）为其他节点距离目标节点的距离值，ti为其他节点的温度值，k（k≥1）为搜索范围内搜索到的节点个数。若在对应块内未搜索到节点，则tn为距离自身最近节点的温度。其它数据信息的映射继承计算同理。
51.s10426、停止模拟，获得全流程模拟结果。
52.根据轧辊导卫模型、工作路径和初始轧件三维模型进行轧制流程模拟过程中，可根据需要调用求解器实现道次间隙模拟计算、除鳞计算等功能，调用求解器实现道次间隙模拟计算、除鳞计算是本领域的常用手段，此处不做赘述。
53.s105、根据所述全流程模拟结果，获得轧制流程模拟演示动画，将轧制流程模拟演示动画输入显示器显示。
54.其中，轧制流程模拟模型包括轧辊导卫模型、最终轧件三维模型及其几何形状、轧件温度等相关数据。
55.根据全流程模拟结果通过求解器及后台处理软件进行处理，得到模拟演示动画是本领域的常用手段，此处不做赘述。
56.本发明将繁琐复杂的全轧程数值模拟工作，转化为自动读取轧制规程、建立各工艺环节计算模型、处理轧件模型的数据继承传递、后台调用求解器一键提交计算和自动生成模拟结果。本发明可对轧制全流程或指定道次进行模拟，或基于热力耦合、结构进行模拟。本发明减小了轧制模拟从业者的工作强度，降低了轧制数值模拟工作人员的操作门槛。
57.图3是根据一示例性实例示出的一种一键全流程轧制热力耦合模拟系统框图，该系统应用于实现一键全流程轧制热力耦合模拟方法。参照图3，该系统包括电子设备310和显示器320，其中：电子设备310，用于根据轧制规程文件以及模拟工艺库，获得轧制工艺数据，根据轧制工艺数据转化得到轧制工艺模拟参数；根据轧制工艺模拟参数以及模拟数据库，获得轧辊导卫模型、工作路径和初始轧件二维模型；根据初始轧件二维模型进行拉伸转化操作，获得初始轧件三维模型；当接收到一键全流程轧制模拟指令，调用求解器，使用轧辊导卫模型、工作路径和初始轧件三维模型进行轧制流程模拟，得到全流程模拟结果；根据所述全流程模拟结果，获得轧制流程模拟演示动画，将轧制流程模拟演示动画输入显示器显示。
58.显示器320，用于显示轧制流程模拟演示动画。
59.可选地，模拟工艺库包括除鳞、道次间隙和不同形式的轧制过程数据，以及翻钢环节的工艺数据。
60.可选地，模拟数据库包括轧辊导卫模型库和初始轧件模型库。
61.可选地，电子设备进一步用于：基于初始轧件二维模型坐沿轧制方向建立初始轧件三维单元模型，设定拉伸长度和拉伸份数将多个三维单元模型在拉伸方向上堆叠组合获得初始轧件三维模型。
62.可选地，电子设备进一步用于：根据初始轧件三维模型建立边界条件；使用求解器，根据边界条件、轧件轧辊导卫模型、工作路径和初始轧件三维模型，完成设定的所有道次的轧制，获得全流程模拟结果 。
63.可选地，电子设备进一步用于：s61、设置总道次数为n，当前道次数为i，令i=1；
s62、判断i是否大于n，如果i大于n，则转去执行步骤s66，如果i小于或等于n，则执行步骤s63；s63、根据所述边界条件，将经过第i-1道次轧制后的轧件三维模型继承至工作路径上，完成第i道次的轧件定位操作；s64、根据轧辊导卫模型，进行第i道次的轧辊定位操作；s65、根据第i-1道次轧制后的轧件三维模型、工作路径以及轧件轧辊导卫模型和工艺设置，进行第i道次的轧件翻钢操作，获得经过第i道次轧制后的轧件三维模型，保存轧件三维模型的几何形状、温度数据并继承至i+1道次的工作路径，令i=i+1，执行步骤s62；s66、停止模拟，获得全流程模拟结果。
64.本发明将繁琐复杂的全轧程数值模拟工作，转化为自动读取轧制规程、建立各工艺环节计算模型、处理轧件模型的数据继承传递、后台调用求解器一键提交计算和自动生成模拟结果。本发明可对轧制全流程或指定道次进行模拟，或基于热力耦合、结构进行模拟。本发明减小了轧制模拟从业者的工作强度，降低了轧制数值模拟工作人员的操作门槛。
65.图4是本发明实施例提供的一种电子设备400的结构示意图，该电子设备400可因配置或性能不同而产生比较大的差异，可以包括一个或一个以上处理器（central processing units，cpu）401和一个或一个以上的存储器402，其中，所述存储器402中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由所述处理器401加载并执行以实现上述一键全流程轧制热力耦合模拟方法的步骤。
66.在示例性实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，例如包括指令的存储器，上述指令可由终端中的处理器执行以完成上述一键全流程轧制热力耦合模拟方法。例如，所述计算机可读存储介质可以是rom、随机存取存储器（ram）、cd-rom、磁带、软盘和光数据存储设备等。
67.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
68.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。