一种矫直机板形预测及矫直工艺控制方法与流程

1.本发明涉及钢铁生产技术领域，特别是涉及一种矫直机板形预测及矫直工艺控制方法。


背景技术：

2.近年来，随着装备制造、交通运输、石油化工、军工等领域关键钢种的不断开发，高强钢板对装备的大型化、轻量化发展至关重要。此类钢材轧制后需要经过热处理，利用加热控制和淬火控制来调控钢板组织，提高钢板的使用性能。热处理对工艺控制要求较高，在加热及淬火过程中，如果温度控制不均，极容易出现钢板弯曲变形，为保证热处理钢板板形质量，在热处理工序后需要使用矫直机对钢板进行矫直操作，用来保证钢板的板形平直度。目前，矫直机已成为热处理生产线中钢板校正的主要装备，其通过压下量、弯辊量等工艺参数设定，采用多根矫直辊反复弯曲的方式，逐渐消除钢板长度方向的原始曲率，使钢板矫平。矫直机的矫直效果主要取决于矫直参数的设定，目前，多采用人工经验控制或经验规程控制的方式。
3.人工经验控制主要是由操作人员目测来料钢板的翘曲程度，结合产品属性，凭借经验手动设定矫直机参数，再根据矫直后钢板平直度情况对矫直机参数进行调整，直到达到满意效果为止。其缺点在于：矫直参数设定缺少统一的、标准的规范，严重依赖操作人员主观的业务经验，各班组操作人员经验不同，直接导致矫直后钢板板形质量参差不齐，产品质量不稳定，且工作效率低下。
4.经验规程控制方式是指矫直机控制系统根据钢板厚度、钢种等产品属性，从数据库中调用对应的工艺规程进行矫直，而数据库中的数据来自于用于测试的钢板的矫直参数，由于生产钢板品种繁多，测试用的钢板只能选取有代表性的几种进行，无法覆盖所有生产品种，在这种情况下，测试钢板之外的其他品种多依靠差值补偿等手段，从测试钢板的数据中转换得出，存在一定误差，影响实际矫直的效果。即使是测试钢板得出的数据，也由于翘曲程度各异、使用相同的角之工艺参数难以应对所有情况，同样存在矫直不到位或矫直过度的情况，无法保证矫直工艺的质量稳定性，矫直合格率不高。
5.热处理生产线一旦出现矫直平直度问题，都需要返工重新进行矫直，影响了物料的生产节奏，拉低了产能。


技术实现要素：

6.本发明针对上述技术问题，克服现有技术的缺点，提供一种矫直机板形预测及矫直工艺控制方法，包括：
7.一、根据钢板和矫直机属性，通过相关算法公式得到仿真预测模型的输入参数
8.输入参数包括：入口辊缝g1、出口辊缝g2、各辊压弯量δi、弯辊量δb；
9.二、构建基于ansys_apdl语言的矫直机仿真模型
10.根据生产线矫直机设备参数，通过apdl语言构建设备模型：使用*set命令对矫直
机设备参数进行定义和赋值，使用*cyl4命令建立空心薄壁矫直辊，使用*mp命令定义矫直辊为刚性材料，使用*et命令定义矫直辊和钢板的单元类型，选定solid164单元，使用*lesize命令控制矫直辊的网格尺寸，使用*vsweep命令扫掠划分网格；
11.根据钢板材料属性，通过apdl语言构建加工板材模型：使用*mp命令定义钢板的材料为双线性随动强化模型，使用*et命令定义钢板的单元类型，选定solid164单元，使用*lesize命令控制钢板的几何网格尺寸，使用*vsweep命令扫掠划分网格；
12.三、基于建立的模型，结合步骤一得到的参数进行矫直仿真预测
13.预测的输入变量为：入口辊缝g1、出口辊缝g2、弯辊量δb、各辊压下量δi以及初始曲率预测的输出结果为：残余曲率，当残余曲率满足目标平直度质量要求时，本次预测的输入变量和预测道次作为最终的工艺设定参数保存到矫直机控制系统的工艺规程库中；
14.预测采用单道次矫直模拟，若单道次矫直经过调参后仍不满足平直度要求，且调整的参数已达到矫直机能力上限，则进行第二甚至第三道次矫直，方式及流程与第一道次相同；
15.四、各生产品种工艺模型预测积累
16.如上步骤三仿真求解过程，得到最终的输出变量作为该规格钢板在该初始曲率、翘曲状态下的矫直工艺设定参数，然后针对热处理生产线产品大纲上的所有各类品种进行模拟仿真，获得的工艺设定参数数据保存到数据库中，供矫直机控制系统调用；当生产线增加新的生产品种时，提前将该品种基础属性录入到矫直机控制系统中，控制系统自动调用apdl仿真预测设定参数，并增加到工艺规程库中。
17.本发明进一步限定的技术方案是：
18.前所述的一种矫直机板形预测及矫直工艺控制方法，所述步骤一中，钢板属性包括几何属性和物理特性，几何属性包括：厚度h、宽度b、长度l、原始曲率翘曲类型；物理特性包括：温度t、屈服强度σs、抗拉强度σb、杨氏模量e、延伸率η、切线模量eb、密度ρ、泊松比μ；
19.矫直机属性包括：辊数n、辊径φ、边辊辊距t1、辊距t2、辊身长度l、辊缝范围值、矫直力范围值、弯辊限制值、矫直速度范围值，其中，辊缝范围值、矫直力范围值、弯辊限制值、矫直速度范围值用于约束参数设定值，避免设定值超出矫直机能力范围。
20.前所述的一种矫直机板形预测及矫直工艺控制方法，几何属性通过产品大纲遍历确定，原始曲率则进行由小到大各种程度的模拟，通常根据翘曲程度数值的大小分成弱、中、强三个级别，具体分类阈值设定需根据现场情况确定；翘曲类型影响弯辊的设定，钢板中间鼓起、两边下垂的情况称为鼓包，两边翘起、中间凹陷称为船型，这两种情况对于弯辊设定的取值是相反的，因此在实际模拟时，鼓包和船型两种都进行模拟；物理特性作为钢种的固有属性，通过相关钢种的技术说明手册统一获取，均作为常量参与计算。
21.前所述的一种矫直机板形预测及矫直工艺控制方法，钢板的翘曲类型还包括边浪、中浪、翘头、翘尾，这些类型对于弯辊的影响都归纳到鼓包和船型中。
22.前所述的一种矫直机板形预测及矫直工艺控制方法，通过如下系列钢板变形公
式，计算得到仿真模型的输入参数：
[0023][0024][0025][0026][0027][0028]
其中，原始曲率为板材在初始状态下的曲率；反弯曲率为板材在外力矩m作用下弯曲后的曲率；总变形曲率为原始曲率与反弯曲率之和；弹复曲率为板材卸载阶段的曲率变化量；残余曲率为板材弹复后的曲率，板材被矫平时其值为零；屈服曲率为板材弯曲至表层纤维的应力达到屈服强度时的总变形曲率，此时的弯曲力矩为屈服力矩mw；i为板材横断面的惯性矩；
[0029]
为分析及书写方便，将各曲率与屈服曲率的比值称为各曲率的相对值，则上述各曲率的相对值分别为：相对原始曲率c0、相对反弯曲率cf、相对总变形曲率cz、相对弹复曲率cy和相对残余曲率cc、相对屈服取率cw，有：
[0030]cz
＝c0+cfꢀꢀꢀ
(6)
[0031]cc
＝c
f-cyꢀꢀꢀ
(7)
[0032][0033][0034][0035]
e1为硬化模量，无特殊说明e1＝0.2e；
[0036]
在确定矫直辊压弯量时，首先给定的是板材最大塑性变形率，再结合板材在第三
辊处弯曲时原始曲率尚未发生变化，因此，根据第二次弯曲即第三辊处的塑性变形率η3来得到总变形曲率c
z3
以及相应挠度，再利用压弯量与挠度之间关系式，首先得到第三辊处的压弯量δ3，然后根据δ3和δ
en
之间的几何关系，求出所需要的δ
en
，
[0037][0038][0039][0040]
出口处下板材的变形一般为弹性变形或没有变形，故一般根据具体情况，在下式范围内确定第十辊矫直辊压弯量的设定值：
[0041][0042]
弯辊量：
[0043][0044]
其中，η为塑性变形率，为了保证矫直质量取80％，ν是挠度，n为矫直辊数，δ
en
为入口压弯量，δ
ex
是出口压弯量，k、k'、k”根据原始曲率的大小来具体确定；
[0045]
由上述公式可求得入口压弯量、出口压弯量，根据辊式矫直机压下量线性递减原则，确定其余各辊压弯量与入口端、出口端压弯量的关系；
[0046]
入口辊缝g1及出口辊缝g2：
[0047]
g1＝h-δ
en
ꢀꢀꢀ
(16)
[0048]
g2＝h-δ
ex
ꢀꢀꢀ
(17)
[0049]
自此根据公式得到模型仿真的输入参数：入口辊缝g1、出口辊缝g2、各辊压弯量δi、弯辊量δb。
[0050]
前所述的一种矫直机板形预测及矫直工艺控制方法，步骤三中，采用单道次矫直模拟时，具体预测流程如下：
[0051]
①
使用apdl语言中*cm命令把待矫钢板定义成一个组件，使用*edve命令给钢板施加初速度载荷；
[0052]
②
使用apdl语言中*dim、*set命令定义时间载荷和对应的转速载荷值，使用*edload命令为轧辊施加转速载荷；
[0053]
③
使用apdl语言中*dim、*set命令定义时间载荷和对应的位移载荷值，使用*edload命令为上排矫直辊施加位移载荷，以表现各辊的压下量；由于矫直辊辊身长远比辊的弯曲挠度大，挠度与辊身长度之比很小，因此，将矫直辊正、负弯辊曲线简化为直线；
[0054]
④
使用apdl语言中*edcgen命令定义矫直辊与钢板间的接触；
[0055]
⑤
使用apdl语言中*time命令设置求解时间，大小通过矫直速度和钢板的矫直长度来计算，由于矫直速度与模拟效果无明显影响，此处采用默认值1000mm/s；
[0056]
⑥
使用apdl语言中*edrst命令设置输出子步数；
[0057]
⑦
使用apdl语言中*edwrite命令输出k文件；
[0058]
⑧
使用apdl语言中*edopt命令设置输出文件形式为ls-dyna，使用ls-dyna求解器求解；由于板材沿宽度方向的纵向纤维变形除边部区域外基本一致，故选取矫直后中部路径上的不平度来代表板材不平度；
[0059]
在进行仿真求解计算时，充分利用apdl语言的二次开发功能，采用宏进行多层循环的控制；采用*if-then-else、*endif命令，在每个载荷步进行之前，比较计算所得的各辊原始曲率与目标残余曲率的关系，来判断不平度循环计算是否继续进行；采用*do、*enddo命令来控制循环的次数以及计算的时间总长；
[0060]
当某辊的原始曲率小于目标残余曲率，则矫直后目标不平度符合标准，循环结束，输出矫直设定参数；如果一次循环后不满足目标残余曲率，则重新调整输入参数继续循环，直至满足要求目标平直度或矫直机达到能力达到上限，若达到矫直机能力上限，则继续下一轮道次的矫直，矫直输出的累计道次数加一。
[0061]
前所述的一种矫直机板形预测及矫直工艺控制方法，步骤
③
，分别采用矫直辊中部或边部半径加大的方法来近似描述正弯辊及负弯辊状况，半径增加量为得到的弯辊量。
[0062]
前所述的一种矫直机板形预测及矫直工艺控制方法，步骤
⑧
，根据所取纵向路径各结点在长度方向和垂直方向的坐标，确定某点距起始点与终结点连线的最大垂直距离，将其作为该路径上的不平度，不平度计算公式如下：
[0063][0064]di
＝(y
i-(yo+(x
i-xo).tgθ)).cosθ(19)
[0065][0066]
其中θ为板材两端点与水平面的夹角；di为中间某结点到两端点连线之间的距离；d
max
、d
min
为两端点连线的上、下两侧波峰到连线的最大距离；x
max
、x
min
为两个最大距离的长度方向坐标；x0、y0、xi、yi、xn、yn分别为所取线段的起始结点、中间某结点及终了结点的长度方向和垂直方向坐标；f
ness
为所取线上的最大不平度。
[0067]
前所述的一种矫直机板形预测及矫直工艺控制方法，原始曲率和目标残余曲率计算公式如下：
[0068][0069][0070]
前所述的一种矫直机板形预测及矫直工艺控制方法，输入参数调整的规则为：
[0071]
压下量总体调整规律：当在给定某个压下量下，模拟钢板矫后如果发生鼓包，说明矫直离到不够，系统控制增加压下量；若矫后发生船型，则说明矫直过度，系统控制减少压
下量，直至平直度在合格指标范围内。
[0072]
本发明的有益效果是：
[0073]
(1)本发明在现有工艺规程控制方式的基础上，针对不同翘曲程度的情况进行矫直工艺控制参数的分类细化，使得每一种产品品种、规格、翘曲情况都有对应的矫直控制工艺，然后通过ansys虚拟仿真模拟真实生产场景，对工艺设定参数进行验证，确保参数的准确性，通过这种数字孪生的方式，实现精益化地控制，帮助提升矫直的合格率；
[0074]
(2)本发明中ansys有限元分析软件用于构建矫直机矫直模型，模拟真实的矫直过程，通过在虚拟环境中对矫直过程进行预测，优化工艺设定参数，从而大幅度节省在实际生产场景中调参测试的人力物体投入，同时提高工作效率；通过apdl可以将ansys有限元分析功能结合到矫直机控制系统中，矫直机控制系统直接通过apdl调用ansys进行矫直仿真预测，将数字化模型融入生产场景中，实现数字孪生功能。
附图说明
[0075]
图1为矫直预测控制流程图；
[0076]
图2为anasys_apdl仿真模型示意图；
[0077]
图3为纵向纤维不平度示意图；
[0078]
图4为矫直仿真预测步骤示意图。
具体实施方式
[0079]
本实施例提供的一种矫直机板形预测及矫直工艺控制方法，流程图如图1所示，具体为(以下涉及的尺寸类参数，单位均为mm)：
[0080]
一、根据钢板和矫直机属性，通过相关算法公式得到仿真预测模型的输入参数
[0081]
钢板属性包括几何属性和物理特性，几何属性包括：厚度h、宽度b、长度l、原始曲率翘曲类型；物理特性包括：温度t、屈服强度σs、抗拉强度σb、杨氏模量e、延伸率η、切线模量eb、密度ρ、泊松比μ。
[0082]
几何属性通过产品大纲遍历确定，原始曲率则进行由小到大各种程度的模拟，通常根据翘曲程度数值的大小分成弱、中、强三个级别，具体分类阈值设定需根据现场情况确定；翘曲类型影响弯辊的设定，钢板中间鼓起、两边下垂的情况称为鼓包，两边翘起、中间凹陷称为船型，这两种情况对于弯辊设定的取值是相反的，因此在实际模拟时，鼓包和船型两种都进行模拟。钢板的翘曲类型还包括边浪、中浪、翘头、翘尾，这些类型对于弯辊的影响都归纳到鼓包和船型中。物理特性作为钢种的固有属性，通过相关钢种的技术说明手册统一获取，均作为常量参与计算。
[0083]
矫直机属性包括：辊数n、辊径φ、边辊辊距t1、辊距t2、辊身长度l、辊缝范围值、矫直力范围值、弯辊限制值、矫直速度范围值，其中，辊缝范围值、矫直力范围值、弯辊限制值、矫直速度范围值用于约束参数设定值，避免设定值超出矫直机能力范围。
[0084]
根据如上属性，通过如下系列钢板变形公式，计算得到仿真模型的输入参数：
[0085][0086][0087][0088][0089][0090]
其中，原始曲率为板材在初始状态下的曲率；反弯曲率为板材在外力矩m作用下弯曲后的曲率；总变形曲率为原始曲率与反弯曲率之和；弹复曲率为板材卸载阶段的曲率变化量；残余曲率为板材弹复后的曲率，板材被矫平时其值为零；屈服曲率为板材弯曲至表层纤维的应力达到屈服强度时的总变形曲率，此时的弯曲力矩为屈服力矩mw；i为板材横断面的惯性矩。
[0091]
为分析及书写方便，将各曲率与屈服曲率的比值称为各曲率的相对值，则上述各曲率的相对值分别为：相对原始曲率c0、相对反弯曲率cf、相对总变形曲率cz、相对弹复曲率cy和相对残余曲率cc、相对屈服取率cw，有：
[0092]cz
＝c0+cfꢀꢀꢀ
(6)
[0093]cc
＝c
f-cyꢀꢀꢀ
(7)
[0094][0095][0096][0097]
e1为硬化模量，无特殊说明e1＝0.2e。
[0098]
在确定矫直辊压弯量时，首先给定的是板材最大塑性变形率，再结合板材在第三辊处弯曲时原始曲率尚未发生变化(原始挠度便于确定)，因此，根据第二次弯曲即第三辊处的塑性变形率η3来得到总变形曲率c
z3
以及相应挠度，再利用压弯量与挠度之间关系式，
首先得到第三辊处的压弯量δ3，然后根据δ3和δ
en
之间的几何关系，求出所需要的δ
en
，
[0099][0100][0101][0102]
出口处下板材的变形一般为弹性变形或没有变形，故一般根据具体情况，在下式范围内确定第十辊矫直辊压弯量的设定值：
[0103][0104]
弯辊量：
[0105][0106]
其中，η为塑性变形率，为了保证矫直质量取80％，ν是挠度，n为矫直辊数，δ
en
为入口压弯量，δ
ex
是出口压弯量，k、k'、k”根据原始曲率的大小来具体确定。
[0107]
由上述公式可求得入口压弯量、出口压弯量，根据辊式矫直机压下量线性递减原则，确定其余各辊压弯量与入口端、出口端压弯量的关系。
[0108]
入口辊缝g1及出口辊缝g2：
[0109]
g1＝h-δ
en
ꢀꢀꢀ
(16)
[0110]
g2＝h-δ
ex
ꢀꢀꢀ
(17)
[0111]
自此根据公式得到模型仿真的输入参数：入口辊缝g1、出口辊缝g2、各辊压弯量δi、弯辊量δb。
[0112]
自此根据公式得到输入参数，包括：入口辊缝g1、出口辊缝g2、各辊压弯量δi、弯辊量δb。
[0113]
二、构建基于ansys_apdl语言的矫直机仿真模型
[0114]
根据生产线矫直机设备参数，通过apdl语言构建设备模型：使用*set命令对矫直机设备参数进行定义和赋值，使用*cyl4命令建立空心薄壁矫直辊，使用*mp命令定义矫直辊为刚性材料，使用*et命令定义矫直辊和钢板的单元类型，选定solid164单元，使用*lesize命令控制矫直辊的网格尺寸，使用*vsweep命令扫掠划分网格；
[0115]
根据钢板材料属性，通过apdl语言构建加工板材模型：使用*mp命令定义钢板的材料为双线性随动强化模型，使用*et命令定义钢板的单元类型，选定solid164单元，使用*lesize命令控制钢板的几何网格尺寸，使用*vsweep命令扫掠划分网格。仿真模型如图2所示。
[0116]
三、基于建立的模型，结合步骤一得到的参数进行矫直仿真预测
[0117]
预测的输入变量为：入口辊缝g1、出口辊缝g2、弯辊量δb、各辊压下量δi以及初始曲
率预测的输出结果为：残余曲率，当残余曲率满足目标平直度质量要求时，本次预测的输入变量和预测道次作为最终的工艺设定参数保存到矫直机控制系统的工艺规程库中；
[0118]
预测采用单道次矫直模拟，若单道次矫直经过调参后仍不满足平直度要求，且调整的参数已达到矫直机能力上限，则进行第二甚至第三道次矫直，方式及流程与第一道次相同。apdl仿真预测步骤如图4所示。
[0119]
采用单道次矫直模拟时，具体预测流程如下：
[0120]
①
使用apdl语言中*cm命令把待矫钢板定义成一个组件，使用*edve命令给钢板施加初速度载荷；
[0121]
②
使用apdl语言中*dim、*set命令定义时间载荷和对应的转速载荷值，使用*edload命令为轧辊施加转速载荷；
[0122]
③
使用apdl语言中*dim、*set命令定义时间载荷和对应的位移载荷值，使用*edload命令为上排矫直辊施加位移载荷，以表现各辊的压下量；由于矫直辊辊身长远比辊的弯曲挠度大，挠度与辊身长度之比很小，因此，将矫直辊正、负弯辊曲线简化为直线；分别采用矫直辊中部或边部半径加大的方法来近似描述正弯辊及负弯辊状况，半径增加量为得到的弯辊量；
[0123]
④
使用apdl语言中*edcgen命令定义矫直辊与钢板间的接触；
[0124]
⑤
使用apdl语言中*time命令设置求解时间，大小通过矫直速度和钢板的矫直长度来计算，由于矫直速度与模拟效果无明显影响，此处采用默认值1000mm/s；
[0125]
⑥
使用apdl语言中*edrst命令设置输出子步数；
[0126]
⑦
使用apdl语言中*edwrite命令输出k文件；
[0127]
⑧
使用apdl语言中*edopt命令设置输出文件形式为ls-dyna，使用ls-dyna求解器求解；由于板材沿宽度方向的纵向纤维变形除边部区域外基本一致，故选取矫直后中部路径上的不平度来代表板材不平度。
[0128]
根据所取纵向路径各结点在长度方向和垂直方向的坐标，确定某点距起始点与终结点连线的最大垂直距离，将其作为该路径上的不平度，
[0129]
不平度计算公式如下，如图3所示：
[0130][0131]di
＝(y
i-(yo+(x
i-xo).tgθ)).cosθ
ꢀꢀꢀ
(19)
[0132][0133]
其中θ为板材两端点与水平面的夹角；di为中间某结点到两端点连线之间的距离；d
max
、d
min
为两端点连线的上、下两侧波峰到连线的最大距离；x
max
、x
min
为两个最大距离的长度方向坐标；x0、y0、xi、yi、xn、yn分别为所取线段的起始结点、中间某结点及终了结点的长度方向和垂直方向坐标；f
ness
为所取线上的最大不平度。
[0134]
在进行仿真求解计算时，充分利用apdl语言的二次开发功能，采用宏进行多层循环的控制；采用*if-then-else、*endif命令，在每个载荷步进行之前，比较计算所得的各辊
原始曲率与目标残余曲率的关系，来判断不平度循环计算是否继续进行；采用*do、*enddo命令来控制循环的次数以及计算的时间总长。
[0135]
原始曲率和目标残余曲率计算公式如下：
[0136][0137][0138]
当某辊的原始曲率小于目标残余曲率，则矫直后目标不平度符合标准，循环结束，输出矫直设定参数；如果一次循环后不满足目标残余曲率，则重新调整输入参数继续循环，直至满足要求目标平直度或矫直机达到能力达到上限，若达到矫直机能力上限，则继续下一轮道次的矫直，矫直输出的累计道次数加一。
[0139]
输入参数调整的规则为：
[0140]
压下量总体调整规律：当在给定某个压下量下，模拟钢板矫后如果发生鼓包，说明矫直离到不够，系统控制增加压下量；若矫后发生船型，则说明矫直过度，系统控制减少压下量，直至平直度在合格指标范围内。
[0141]
四、各生产品种工艺模型预测积累
[0142]
如上步骤三仿真求解过程，得到最终的输出变量作为该规格钢板在该初始曲率、翘曲状态下的矫直工艺设定参数，然后针对热处理生产线产品大纲上的所有各类品种进行模拟仿真，获得的工艺设定参数数据保存到数据库中，供矫直机控制系统调用；当生产线增加新的生产品种时，提前将该品种基础属性录入到矫直机控制系统中，控制系统自动调用apdl仿真预测设定参数，并增加到工艺规程库中。
[0143]
本方法需要在矫直机前增设平直度检测装置，用于检测待矫直钢板的翘曲程度(即曲率)，因为不同翘曲类型、不同翘曲程度所需的矫直设定参数不尽相同，同时操作人员通过肉眼很难进行精确测算，为保证矫直流程的高精度控制，因此需要在矫直机前增设平直度检测装置作为辅助，主要为本方法提供初始曲率、翘曲类型2个关键数据。
[0144]
首先使用ansys有限元分析软件构建与矫直机设备参数、工况环境参数相同的数字孪生三维模型，通过apdl语言建立与矫直机控制系统的通讯接口，在实际生产使用中中，根据ansys模型仿真预测所生产各类品种、厚度、温度、翘曲形态以及不同初始曲率的情况下的矫直机工艺设定参数，保存到工艺数据库中，在进行矫直操作时，调用对应的参数进行矫直操作。当矫直结果出现与模型预测结果不符的情况时，通过自学习功能自动调整模型仿真参数，优化工艺设定，达到提升矫直合格率的目标，使用apdl语言的优势在于：模拟仿真与生产系统相结合，根据生产系统情况变化，系统自动调整模拟仿真相关参数并进行验证优化，操作过程自动执行无需人工干预，通过数字化、智能化方法提升了生产线的自动化控制水平及精益化管理水平。
[0145]
南钢宽厚板厂热处理线从2022年1月份开始使用此矫直板形的预测及控制技术，应用效果良好，矫直效率由89.21％提高至95.32％，矫直合格率由86.92％提高至93.98％，同时降低生产停时，提高生产效率。
[0146]
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

技术特征：
1.一种矫直机板形预测及矫直工艺控制方法，其特征在于：包括：一、根据钢板和矫直机属性，通过相关算法公式得到仿真预测模型的输入参数输入参数包括：入口辊缝g1、出口辊缝g2、各辊压弯量δ
i
、弯辊量δ
b
；二、构建基于ansys_apdl语言的矫直机仿真模型根据生产线矫直机设备参数，通过apdl语言构建设备模型：使用*set命令对矫直机设备参数进行定义和赋值，使用*cyl4命令建立空心薄壁矫直辊，使用*mp命令定义矫直辊为刚性材料，使用*et命令定义矫直辊和钢板的单元类型，选定solid164单元，使用*lesize命令控制矫直辊的网格尺寸，使用*vsweep命令扫掠划分网格；根据钢板材料属性，通过apdl语言构建加工板材模型：使用*mp命令定义钢板的材料为双线性随动强化模型，使用*et命令定义钢板的单元类型，选定solid164单元，使用*lesize命令控制钢板的几何网格尺寸，使用*vsweep命令扫掠划分网格；三、基于建立的模型，结合步骤一得到的参数进行矫直仿真预测预测的输入变量为：入口辊缝g1、出口辊缝g2、弯辊量δ
b
、各辊压下量δ
i
以及初始曲率预测的输出结果为：残余曲率，当残余曲率满足目标平直度质量要求时，本次预测的输入变量和预测道次作为最终的工艺设定参数保存到矫直机控制系统的工艺规程库中；预测采用单道次矫直模拟，若单道次矫直经过调参后仍不满足平直度要求，且调整的参数已达到矫直机能力上限，则进行第二甚至第三道次矫直，方式及流程与第一道次相同；四、各生产品种工艺模型预测积累如上步骤三仿真求解过程，得到最终的输出变量作为该规格钢板在该初始曲率、翘曲状态下的矫直工艺设定参数，然后针对热处理生产线产品大纲上的所有各类品种进行模拟仿真，获得的工艺设定参数数据保存到数据库中，供矫直机控制系统调用；当生产线增加新的生产品种时，提前将该品种基础属性录入到矫直机控制系统中，控制系统自动调用apdl仿真预测设定参数，并增加到工艺规程库中。2.根据权利要求1所述的一种矫直机板形预测及矫直工艺控制方法，其特征在于：所述步骤一中，钢板属性包括几何属性和物理特性，几何属性包括：厚度h、宽度b、长度l、原始曲率翘曲类型；物理特性包括：温度t、屈服强度σ
s
、抗拉强度σ
b
、杨氏模量e、延伸率η、切线模量e
b
、密度ρ、泊松比μ；矫直机属性包括：辊数n、辊径φ、边辊辊距t1、辊距t2、辊身长度l、辊缝范围值、矫直力范围值、弯辊限制值、矫直速度范围值，其中，辊缝范围值、矫直力范围值、弯辊限制值、矫直速度范围值用于约束参数设定值，避免设定值超出矫直机能力范围。3.根据权利要求2所述的一种矫直机板形预测及矫直工艺控制方法，其特征在于：几何属性通过产品大纲遍历确定，原始曲率则进行由小到大各种程度的模拟，通常根据翘曲程度数值的大小分成弱、中、强三个级别，具体分类阈值设定需根据现场情况确定；翘曲类型影响弯辊的设定，钢板中间鼓起、两边下垂的情况称为鼓包，两边翘起、中间凹陷称为船型，这两种情况对于弯辊设定的取值是相反的，因此在实际模拟时，鼓包和船型两种都进行模拟；物理特性作为钢种的固有属性，通过相关钢种的技术说明手册统一获取，均作为常量参
与计算。4.根据权利要求3所述的一种矫直机板形预测及矫直工艺控制方法，其特征在于：钢板的翘曲类型还包括边浪、中浪、翘头、翘尾，这些类型对于弯辊的影响都归纳到鼓包和船型中。5.根据权利要求2所述的一种矫直机板形预测及矫直工艺控制方法，其特征在于：通过如下系列钢板变形公式，计算得到仿真模型的输入参数：计算得到仿真模型的输入参数：计算得到仿真模型的输入参数：计算得到仿真模型的输入参数：计算得到仿真模型的输入参数：其中，原始曲率为板材在初始状态下的曲率；反弯曲率为板材在外力矩m作用下弯曲后的曲率；总变形曲率为原始曲率与反弯曲率之和；弹复曲率为板材卸载阶段的曲率变化量；残余曲率为板材弹复后的曲率，板材被矫平时其值为零；屈服曲率为板材弯曲至表层纤维的应力达到屈服强度时的总变形曲率，此时的弯曲力矩为屈服力矩m
w
；i为板材横断面的惯性矩；为分析及书写方便，将各曲率与屈服曲率的比值称为各曲率的相对值，则上述各曲率的相对值分别为：相对原始曲率c0、相对反弯曲率c
f
、相对总变形曲率c
z
、相对弹复曲率c
y
和相对残余曲率c
c
、相对屈服取率c
w
，有：c
z ＝ c0+c
f
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)c
c ＝ c
f
ꢀ‑ꢀ
c
y
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
e1为硬化模量，无特殊说明e1＝0.2e；在确定矫直辊压弯量时，首先给定的是板材最大塑性变形率，再结合板材在第三辊处弯曲时原始曲率尚未发生变化，因此，根据第二次弯曲即第三辊处的塑性变形率η3来得到总变形曲率c
z3
以及相应挠度，再利用压弯量与挠度之间关系式，首先得到第三辊处的压弯量δ3，然后根据δ3和δ
en
之间的几何关系，求出所需要的δ
en
，，，出口处下板材的变形一般为弹性变形或没有变形，故一般根据具体情况，在下式范围内确定第十辊矫直辊压弯量的设定值：弯辊量：其中，η为塑性变形率，为了保证矫直质量取80％，ν是挠度，n为矫直辊数，δ
en
为入口压弯量，δ
ex
是出口压弯量，k、k'、k”根据原始曲率的大小来具体确定；由上述公式可求得入口压弯量、出口压弯量，根据辊式矫直机压下量线性递减原则，确定其余各辊压弯量与入口端、出口端压弯量的关系；入口辊缝g1及出口辊缝g2：g1＝h-δ
en
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)g2＝h-δ
ex
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)自此根据公式得到模型仿真的输入参数：入口辊缝g1、出口辊缝g2、各辊压弯量δ
i
、弯辊量δ
b
。6.根据权利要求1所述的一种矫直机板形预测及矫直工艺控制方法，其特征在于：所述步骤三中，采用单道次矫直模拟时，具体预测流程如下：
①
使用apdl语言中*cm命令把待矫钢板定义成一个组件，使用*edve命令给钢板施加初速度载荷；
②
使用apdl语言中*dim、*set命令定义时间载荷和对应的转速载荷值，使用*edload命
令为轧辊施加转速载荷；
③
使用apdl语言中*dim、*set命令定义时间载荷和对应的位移载荷值，使用*edload命令为上排矫直辊施加位移载荷，以表现各辊的压下量；由于矫直辊辊身长远比辊的弯曲挠度大，挠度与辊身长度之比很小，因此，将矫直辊正、负弯辊曲线简化为直线；
④
使用apdl语言中*edcgen命令定义矫直辊与钢板间的接触；
⑤
使用apdl语言中*time命令设置求解时间，大小通过矫直速度和钢板的矫直长度来计算，由于矫直速度与模拟效果无明显影响，此处采用默认值1000mm/s；
⑥
使用apdl语言中*edrst命令设置输出子步数；
⑦
使用apdl语言中*edwrite命令输出k文件；
⑧
使用apdl语言中*edopt命令设置输出文件形式为ls-dyna，使用ls-dyna求解器求解；由于板材沿宽度方向的纵向纤维变形除边部区域外基本一致，故选取矫直后中部路径上的不平度来代表板材不平度；在进行仿真求解计算时，充分利用apdl语言的二次开发功能，采用宏进行多层循环的控制；采用*if-then-else、*endif命令，在每个载荷步进行之前，比较计算所得的各辊原始曲率与目标残余曲率的关系，来判断不平度循环计算是否继续进行；采用*do、*enddo命令来控制循环的次数以及计算的时间总长；当某辊的原始曲率小于目标残余曲率，则矫直后目标不平度符合标准，循环结束，输出矫直设定参数；如果一次循环后不满足目标残余曲率，则重新调整输入参数继续循环，直至满足要求目标平直度或矫直机达到能力达到上限，若达到矫直机能力上限，则继续下一轮道次的矫直，矫直输出的累计道次数加一。7.根据权利要求6所述的一种矫直机板形预测及矫直工艺控制方法，其特征在于：所述步骤
③
，分别采用矫直辊中部或边部半径加大的方法来近似描述正弯辊及负弯辊状况，半径增加量为得到的弯辊量。8.根据权利要求6所述的一种矫直机板形预测及矫直工艺控制方法，其特征在于：所述步骤
⑧
，根据所取纵向路径各结点在长度方向和垂直方向的坐标，确定某点距起始点与终结点连线的最大垂直距离，将其作为该路径上的不平度，不平度计算公式如下：d
i
＝(y
i-(y
o
+(x
i-x
o
).tgθ)).cosθ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)其中θ为板材两端点与水平面的夹角；d
i
为中间某结点到两端点连线之间的距离；d
max
、d
min
为两端点连线的上、下两侧波峰到连线的最大距离；x
max
、x
min
为两个最大距离的长度方向坐标；x0、y0、x
i
、y
i
、x
n
、y
n
分别为所取线段的起始结点、中间某结点及终了结点的长度方向和垂直方向坐标；f
ness
为所取线上的最大不平度。9.根据权利要求6所述的一种矫直机板形预测及矫直工艺控制方法，其特征在于：原始曲率和目标残余曲率计算公式如下：
10.根据权利要求6所述的一种矫直机板形预测及矫直工艺控制方法，其特征在于：输入参数调整的规则为：压下量总体调整规律：当在给定某个压下量下，模拟钢板矫后如果发生鼓包，说明矫直离到不够，系统控制增加压下量；若矫后发生船型，则说明矫直过度，系统控制减少压下量，直至平直度在合格指标范围内。

技术总结
本发明公开了一种矫直机板形预测及矫直工艺控制方法，涉及钢铁生产技术领域，针对不同翘曲程度的情况进行矫直工艺控制参数的分类细化，使得每一种产品品种、规格、翘曲情况都有对应的矫直控制工艺，然后通过ANSYS虚拟仿真模拟真实生产场景，对工艺设定参数进行验证，确保参数的准确性，通过这种数字孪生的方式，实现精益化地控制，可有效提升矫直效率及板型的合格率。板型的合格率。板型的合格率。


技术研发人员：顾小阳 朱美君 曹涛 郭怀兵 杨浩 赵帅朋
受保护的技术使用者：南京钢铁股份有限公司
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/7/21