宽带钢拉伸弯曲矫直变形中伸长率和张力的研究

宽带钢拉伸弯曲矫直变形中伸长率和张力的研究

宽轴弯曲冲程过渡阶段是一种复杂的三维弹簧变形行为。因此,当以解析法求解时,需要做出多项重要假设,导致计算结果难以与它生产中的实测数据相吻合。一直以来,拉伸弯曲矫直机结构设计和生产使用工艺模型(工艺参数)建立都主要依据实验数据和生产经验数据。因此,为了优化宝钢某酸轧拉伸弯曲矫直机的使用工艺,分析解决存在的问题,课题组提出先用MARC有限元软件进行数值仿真计算,再对计算结果运用逐步回归法建立描述带钢拉伸弯曲矫直过程的工艺参数与设备参数以及带钢规格材质之间物理关系的数学表达式。1带钢拉紧过程的有限模拟1.1有限元仿真模型拉弯矫直机主要由2部分组成,见图1(a),一部分是矫直单元,另一部分是张力辊组及其传动部分,矫直单元包括产生塑性延伸、消除板形缺陷的弯曲辊组和消除C翘与L翘的矫直辊,张力辊组由入口张力辊组和出口张力辊组组成,负责提供塑性变形所需的张力。在建立有限元仿真模型时,进行必要的简化,见图1(b)。略去矫平辊和前后S辊可以使仿真模型中带钢的长度减小,从而可以使仿真计算时间明显减少,同时有利于细化单元和提高计算精度。1.2模拟场景的确定1.2.1耦合关系的数值在拉弯矫直过程中,弯曲辊插入深度、张力和伸长率3个工艺要素之间存在耦合关系,改变其中任何一个的数值都会引起其它2个的数值发生变化。因此将通过仿真研究不同1号位张应力、不同的插入深度和不同的插入深度组合对伸长率和3号位张应力的影响规律,揭示其间的关系,建立关系模型。1.2.2带钢的规格、重量带钢的规格和材料属性对拉矫过程有着极大的影响。以研究对象生产线经常生产的带钢的规格材质为依据,选取若干种厚度和钢种进行有限元仿真。1.2.3弯曲辊径和弯曲辊组之间距离的影响弯曲辊径或弯曲辊辊组之间的距离是关乎拉矫机工作行为的重要设备参数,因此选择多种弯曲辊辊径和弯曲辊组之间的距离,仿真分析它们对拉矫变形的影响。1.3拉矫过程中带钢总伸长率和3号位张应力变化的仿真结果通过上述分析简化,共确定了132种工况进行有限元仿真计算,得到了上述各个因素对拉矫过程中带钢总伸长率和3号位张应力变化的影响规律。图2所示为2号弯曲辊组插入深度对带钢张应力和总伸长率的影响。2拉压过程中的数学模型的逐步回归法根据仿真计算结果数据,运用逐步回归法建立带钢的总伸长率和3号张应力与其它参数之间的关系式。2.1基于方程的算法逐步回归分析的基本思想是从与被分析对象有关的变量中选取有显著影响的变量来建立回归方程的一种常用算法。其基本方法是将变量一个个引入回归方程,引入变量的条件是,该变量的偏回归平方和检验是显著的,同时,每引入一个新的变量后,要对原变量逐个检验,将偏回归平方和变为不显著的变量剔除,直到再也没有新的变量可以被引入为止。2.2拉紧过程数学模型的建立2.2.1带钢总伸长率的回归分析根据逐步回归分析的基本原理,首先确定逐步回归分析的因变量和自变量。因变量为带钢在拉矫过程中所获得的总伸长率ε。自变量为1号弯曲辊组插入深度I1(mm)、2号弯曲辊组插入深度I2(mm)、带钢3号位张应力σ3(MPa)、厚度H(mm)、屈服应力σs(MPa)、弯曲辊辊径R(mm)、弯曲辊组之间的距离L(mm)以及它们的某种变化I1、I2121、I3131、lnI1、lgI1、√Ι1I1−−√、1/√Ι11/I1−−√、I2、I2222、I3232、lnI2、lgI2、√Ι2I2−−√、1/√Ι2、σ31/I2−−√、σ3、σ2323、σ3333、lnσ3、lgσ3、√σ3σ3−−√、1/√σ31/σ3−−√、H、H2、H3、lnH、lgH、√ΗH−−√、1/√Η、σs、σ2s、σ3s、lnσs、lgσs、√σs、1/√σs、R、R2、R3、lnR、lgR、√R、1/√R、L、L2、L3、lnL、lgL、√L、1/√L。其次是准备数据,确定回归分析数学模型的表达式。取有限元仿真的132组数据带入计算,则带钢总伸长率的逐步回归模型为xαn=β0+β1xα1+β2xα2+⋯+βn-1xα,n-1+εαα=1,2,⋯,132;n=50(1)式中,xαn为因变量ε;xα1,xα2,…,xα,n-1为前述49个自变量;β0,β1,β2,…,βn-1为50个待估计参数;ε1,ε2,…,εα为132个相互独立且服从同一正态N(0,σ)的随机变量。然后使用Matlab数学软件中的统计学工具箱剔除全部显著性不强的自变量,获得剩余7个显著自变量和相应系数得出如下带钢总伸长率预测模型。ε=-1.4121-6.9889/√Ι1-0.6576/√Ι2+3.1355√R-38.3005/5√Η-90.1524/√σ3+257.579/√σs+13.5782/√L(2)2.2.2位张应力预测模型的建立同建立带钢总伸长率预测模型的步骤一致,首先确定逐步回归分析的因变量和自变量。因变量为所要预测的带钢在3号位所受的张应力;自变量为前面分析的各个因素即1号弯曲辊组插入深度I1(mm)、2号弯曲辊组插入深度I2(mm)、带钢总伸长率ε、厚度H(mm)、屈服应力σs(MPa)、弯曲辊辊径R(mm)、弯曲辊组之间的距离L(mm)以及它们的某种变化。然后,同样用Matlab数学软件中的统计学工具箱回归出3号位张应力预测模型。σ3=-24.0255-0.3151Ι1-0.0968Ι2-0.0307(R-38)2-0.8919Η+8.3818ε+0.3016σs-0.2235(600-L)1.5/1000(3)式中,σ3为带钢3号位张应力,MPa。该数学模型的相关性指标R值为0.88,可较准确地预测带钢3号位张应力。3拉矫实测数据分析研究对象拉矫机的工作原理是给定插入深度和带钢的伸长率,自动生成张力。在弯曲区安装有张力传感器,可以提供带钢3号位张力实际值。在过程计算机中,可查到实时的拉矫机弯曲辊设定插入深度和设定伸长率,以及带钢3号位张力和规格材质等,通过统计得到所需的数据。提取2004年9月至2005年8月间使用不同拉矫工艺参数生产同一热轧批次的带钢的拉矫实测数据,用于对建立的带钢伸长率和张力预测模型进行验证,其结果如表1所示,预测结果基本符合实测数据,但存在一定误差。分析误差的来源,主要是由于生产中带钢实际伸长率是波动变化的并不恒等于拉矫机设定伸长率,其次有现场张力实测值的误差和有限元仿真及回归计算中产生的误差。之后,将所建立的带钢总伸长率和张力预测模型用于宝钢拉矫机的工艺参数优化调整,制订出一套新的工艺参数并投入使用,使拉矫机的运行状态大大改善,相关指标明显改善。4带钢总伸长率和带钢张力预测模型的建立通过对拉矫变形过程进行大量工况的仿真计算,得出大量的拉矫机各个工艺参数及设备