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哈尔滨理t 大学t 学硕j ：学位论文 电站锅炉弯管机智能控制系统 摘要 管材弯曲是现代工业生产的重要技术之一，在汽车工业、船舶工业、航 空航天工业以及锅炉行业里有着广泛的应用。由于传统的锅炉管材弯曲技术 对弯曲成形质量的控制性不强以及工艺参数的设置不合理，造成整个弯制周 期的延长和生产成本的浪费。因此，对弯管机进行智能化控制是一个必然趋 势，但是进行智能化控制的过程中也存在着许多的不足，尤其是工艺参数的 确定依旧很难有一个理论的公式，这使得智能化控制设计的方法受到了很大 的限制。本文主要研究管材弯曲过程成形特点以及建立工艺参数的预测模 型，并针对锅炉弯管机设计出智能控制系统。 首先对介绍了管材弯曲成形质量影响因素及影响规律的国内外研究现 状。目前研究主要集中在对回弹的控制，而对其他成形质量的研究偏少；利 用解析计算建立力学模型的方法居多，而是用有限元分析方法的偏少；此 外，将神经网络技术应用到管材弯陷成形质量预测模型当中的研究也是非常 的少。因此，论文对管子弯曲变形后的椭圆度、减薄率和增厚率等成形质量 的分析，并提出工艺参数的控制方法。 其次介绍了弯曲成形的各种失效形式，并利用有限元模拟分别研究了各 种弯曲过程参数对成形质量的影响，从而为之后建立成形质量预测模型提供 了基础。由于各类参数中材料性能参数的波动性对成形质量有着明显的关 系，所以必须在弯曲过程中对被弯管材做性能识别测试，主要利用采集管材 弹性塑性变形阶段的多点数据，以相应的数据处理手段获取其性能识别方 法。 以先进的神经网络技术为基础，利用改进后的b p 网络算法，建立弯管 机智能控制系统模型，该模型可以对弯管过程的成形质量参数进行预测，并 对预测的结果进行鉴别分析，根据对成形质量结果的分析，判断工艺参数设 置地是否合理，将修正后工艺参数的结果反馈到系统中。运用神经网络技术 进行质量预测是本论文的技术创新点之一，同时也是技术难点之一。 将设计好的预测模型系统与数控弯管机相结合，对w a 2 7 y p c 6 3 型号 的弯管机进行控制系统的设计，主要是利用可编程控制器进行下位机的设 哈尔滨理工人学t 学硕十：学位论文 i i 计，即将预测模型中所得到的工艺参数提供给弯管机，作为弯管机的实现目 标。最后，对整个智能控制系统进行了检验，并给出了检验结果，证明其技 术可以运用到实际生产中。 关键词弯管机；智能控制；成形质量；神经网络；工艺参数 - i i - 哈尔滨理t 大学t 学硕一 ：学位论文 i n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mo fp o w e rs t a t i o nb o i l e r b e n d e r a b s t r a c t t u b eb e n d i n gi sa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g yi nm o d e m i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n i ti s w i d e l yu s e di na u t oi n d u s t r y , a e r o s p a c ei n d u s t r y , s h i p b u i l d i n g ，b o i l e ri n d u s t r y a n ds oo n b e c a u s et h et r a d i t i o n a lt u b e b e n d i n gt e c h n o l o g yi sn o tg o o da t c o n t r o l l i n g t h e f o r m i n gq u a l i t ya n ds e t t i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s ，i tu s u a l l y l e n g t h e n st h ep r o d u c t i o nc y c l ea n dw a s t e sc o s t s t h e r ei sa ni n e v i t a b l et r e n do f i n t e l l i g e n tc o n t r o lf o rb e n d e r h o w e v e r , t h e r ei sm u c hd i f f i c u l t yf o ri n t e l l i g e n t c o n t r o l s y s t e m e s p e c i a l l yt h e r ei s n ot h e o r e t i c a lm e t h o dt os e t p r o c e s s p a r a m e t e r st h a tm a k e st h ei n t e l l i g e n te o n t r o ll i m i t e d t h i sp a p e rs t u d i e st h e f o r m i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft u b eb e n d i n ga n de s t a b l i s h e st h ep r e d i c t i o nm o d e lo f p r o c e s sp a r a m e t e r sa n dd e s i g n st h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mf o rb o i l e rb e n d e r f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e sr e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n da b r o a df o ri n f l u e n e e f a c t o r sa n di n f l u e n c el a w so ft u b eb e n d i n gf o r m i n g q u a l i t y i tc a n b es u m m a r i z e d t h a tr e s e a r c h e sm o s t l yf o c u so ns p r i n g b a c ka n di g n o r eo t h e rf o r m i n g q u a l i t i e s i t i sm o r ec o m m o nt ou s ea n a l y t i c a lc a l c u l a t i o nt h a nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s a n d t h e r ea r es e l d o mc a s e st ou s ea n n t e c h n o l o g yf o rt u b eb e n d i n gf o r m i n gq u a l i t y p r e d i c t i o nm o d e l t h i sp a p e ra n a l y z e st h ef o r m i n gq u a l i t i e ss u c ha so v a l i t y , t h i n n i n gr a t ea n dt h i c k e n i n gr a t ea f t e rt h et u b eb e n d i n ga n dp r o p o s e st h em e t h o d t oc o n t r o lt h ep r o c e s sp a r a m e t e r s s e c o n d l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e sa l lk i n d so ff a i l u r em o d eo ff o r m i n gq u a l i t y a n du s e sf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nt os t u d yt h ei n f l u e n c eo ff o r m i n gq u a l i t i e s f r o mb e n d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r ss oa st oe s t a b l i s hb a s i sf o rp r e d i c t i o nm o d e l t h em a t e r i a l p r o p e r t i e sa f f e c tt h ef o r m i n gq u a l i t i e si nl a r g ee x t e n d ，s oi ti s n e c e s s a r yt om a k ep e r f o r m a n c et e s tf o rm a t e r i a l i m p r o v e db pn e u r a ln e t w o r ki su s e dt oe s t a b l i s hb e n d e ri n t e l l i g e n tc o n t r o l s y s t e mm o d e lw h i c hc a np r e d i c ta n da n a l y z et h ef o r m i n gq u a l i t i e sa f t e rt u b e i i i 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 = ! g e e 自e 目e ! = = = = 毫e = = = = 昌= = = = = = = = = = = = = e 目= = i ii li ii 皇= = 昌鲁詈昌畜阜! ! ! ! ! = ! ! s e e 皇! 暑鼍e e 穹! e = ! b e n d i n g t h es y s t e md e t e r m i n e st h er e a s o n a b l e n e s so fp r o c e s sp a r a m e t e r sf r o m t h er e s u l to ff o r m i n gq u a l i t i e sa n dg i v e st h er e v is e dp a r a m e t e r sb a c kt ot h e i n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m a n nt e c h n o l o g yi so n eo ft h ei n n o v a t i o n sa l s o d i m e u l t i e s t h i sp a p e ru s e sp r e v i o u si n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mt or e f o r mt h ew a 2 7 y p c 6 3b e n d e r i tm a k e su s eo fp r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e rt od e s i g nl o w e rc o m p u t e r a n ds e n d st h ep r o c e s sp a r a m e t e r sf o r mt h es y s t e mt ot h e b e n d e r f i n a l l y , t h e i n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mi st e s t e d t h er e s u l to ft e s tp r o v e st h a tt h i st e c h n o l o g y c a nb ea p p l i e di np r a c t i c a lp r o d u c t i o n k e y w o r d sb e n d e r ，i n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m ，f o r m i n gq u a l i t y , a r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k ，p r o c e s sp a r a m e t e r s i v 哈尔滨理t 大学t 学硕，l j 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究的目的和意义 本课题来源于哈尔滨理工大学青年科学研究基金项目：数控弯管精确成形 控制研究。 管材弯曲成形技术被广泛地应用各种现代工业领域，例如汽车制造、船舶 工业、航空航天工业等，它是利用压力装置和模具使管材发生分离或塑性变 形，从而获得成形或制品。管材弯曲成形虽然已经实现自动化控制，从而提高 了生产效率，但是目前仍然只能严格按照提前设定好的弯曲加工工艺参数和加 工程序来实现管材弯曲过程。在实际的生产当中，不同牌号或者同牌号不同 批次的管材，其物性参数也是会发生波动变化的，而通过现有的了解，管材的 物性参数与最终弯曲成形质量之间有着密切关联1 。因此，传统的弯管机并不 能解决因管材的物性参数变化而导致最终成形质量不确定这一技术难题。 在东北地区老工业基地哈尔滨锅炉厂有限责任公司，在管材的弯制过程 中，由于工艺参数设置不合理，每年至少报废几十套模具。通过对管材弯曲工 艺参数设置的研究，综合在设备磨损、动力耗费、人员等方面的费用计算，每 年至少可为企业节约5 0 0 万元人民币。国内大型锅炉厂如四川东方锅炉厂、上 海锅炉厂、武汉锅炉厂均采用哈锅方式进行弯管生产，因此如果将改进的生产 方式推广开，将产生更大的经济效益。 目前为止，对于管材弯曲成形的研究主要是从理论和试验的角度着手，数 值模拟的方法并没有成为一种主要手段。对于冷弯圆管弯曲的研究较少，主要 偏向于热弯管材弯曲。对先进而复杂的数控冷弯管智能控制开展的研究依旧偏 少，相关报道更是极少1 。因为采用解析计算的方法有很大的难度，很多研究 只能依靠设计者长期的经验和反复试制，将计算机辅助功能运用到管材的弯曲 中还停留在初级阶段p 1 。有限元分析方法的应用已经非常趋于成熟，正是一种 非常可靠的工具。将其引入到管材弯曲过程的研究，可以准确地模拟成形过 程、预测成形结果，从而对弯管参数的设置进行优化设计。因此，采用有限元 法模拟管材弯曲成形过程，并将神经网络理论与传统专家系统技术相结合，并 以有限元模拟的结果作为知识存储及网络训练样本的来源，利用神经网络预测 最优工艺参数以适应力管材弯曲过程的载荷变化、材料厚度、摩擦条件和材料 哈尔滨理t 大学t 学硕l j 学位论文 特性h 1 。 论文以应用基础研究为主，从弯管加工技术的实际出发，着重理论联系实 际，其结果可直接应用于实际生产中。从而以高科技改造传统工业，解决一直 困扰企业的难题，如能在相关行业推广，必将产生巨大的社会效益，对弯管加 工技术的研究更具有深远意义。 1 2 管材弯曲成形智能化研究现状及国内外发展趋势 管材弯曲成形智能化研究最早可以追溯到上个世纪9 0 年代中期，研究主 要集中在回弹理论，其余成形质量理论的研究也是偏于某一个单因素，如对于 失稳起皱、壁厚变薄以及截面畸变的研究也比较多。有限元分析方法的应用也 逐渐成为研究管材弯曲成形的一个重要方法。随着智能控制技术的不断发展， 人工神经网络技术和数据库专家系统等智能技术也被应用在管材弯曲成形加工 领域【5 1 0 1 2 1 管材弯曲成形技术研究 管材弯曲成形最突出问题是弯曲件的成形质量结果难以控制，即使是同一 种牌号，不同批次的管材，也会因为性能参数的波动及工艺条件的改变而引起 弯曲件成形质量的较大变化。管材的材料物性参数及工艺参数对最终的成形质 量有着很大的影响，要分析具体的内在联系就必须建立弯曲过程分析模型。目 前的研究中，已经建立有很多弯曲成形的解析计算模型，这些模型由于采用了 大量的假设，导致对成形结果的预测精度普遍不高。有限元技术的发展使得数 值模拟方法已成为研究管材弯曲成形的一种重要方法p 。1 ，并且数值模拟方法的 预测精度很高，然而其模拟过程需要比较长的时间，因此也一般不会将其应用 在实时控制当中。 重庆大学的夏东强、温彤利用有限元方法分析了管材剪切弯曲过程中的变 形规律，并总结了管材的物性参数、相对壁厚以及相对弯曲半径对成形质量的 影响p 1 。岳永宝、杨合、詹梅等人运用有限元模拟、解析计算和实验相结合的 方法，以铝合金薄壁管为对象，研究了管材弯曲时的应力应变分布、壁厚变化 和截面畸变等关键问题p 1 。 林艳建立了薄壁管材弯曲过程中失稳起皱的数学模型，建立起预测起皱准 则，将预测起皱准则与有限元模拟系统相结合，实现了对起皱的数值预测。 哈尔滨理t 人学工学硕 j 学位论文 陈戟铭针对薄壁管材的数控弯曲成形过程开发了壁厚变薄分析模块。该分 析模块对不同成形参数下的弯曲成形过程进行数值模拟，从而获得了不同成形 参数影响管材弯曲过程中壁厚变薄的规律“。鄂大辛、宁汝新等人利用对管材 进行拉伸试验分析管材外壁减薄的各种影响因素和材料性能对产生各种成形缺 陷的影响1 1 2 。 王光祥、杨合、李恒等人运用实验方法分析了工艺参数对薄壁管材弯曲成 形中外壁减薄、内壁增厚、回弹和截面椭圆化等质量缺陷的影响规律。其研究 的成果对进行有限元数值模拟和实际生产具有参考价值“。 于浩楠运用m a r c 有限元分析软件对冷弯管加工过程进行数值模拟，对 弯管过程的椭圆度、减薄率、回弹量等成形质量及其主要影响因素进行了研 究。经过试验验证，证明其所建立的有限元模拟系统比传统的经验公式方法和 试制法更加优秀实用，并已经运用于企业中且取得了良好的效果。 1 2 2 弯管过程智能化研究 在智能化研究方面，孙凌逸、王永军和王俊彪利用利用b p 神经网络建立 起拉弯成形过程回弹智能预测系统，通过给定所需的成形条件，对型材拉弯变 形的回弹进行了预测，并且取得了理想的预测精度“。 因为影响管材弯曲成形质量的因素有很多，而且各因素之间也是非线性关 系，所以建立传统的力学解析计算模型非常繁杂，并且由于含有太多的假设而 使得模型的预测精度普遍不高。非线性系统的映射，人工神经网络有着非常明 显的优越性。因为人工神经网络具有非线性映射和大规模并行运算的能力，并 且其计算速度更快，所以非常适合实时控制。通过学习，人工神经网络具有 逼近任何非线性映射的能力，而且不会受到非线性模型的限制，因此在工程应 用中很容易实现学习算法。人工神经网络的发展己渐趋成熟，并已有了应用于 管材弯曲成形质量预测的先例，国内的孙凌逸利用人工神经网络对管材弯曲回 弹建立起智能预测系统，并取得了理想的预测精度。在国外，印度学者 m v i n a m d a r 等人在文献中介绍使用神经网络技术对弯曲回弹进行预测“。德 国学者m g e i g e r ，a s p r e n g e r 将人工神经网络控制模型引入智能拉弯控制系 统，取得了一定的效果。 1 3 本文主要研究内容以及章节安排 本论文通过有限元模拟并结合实验的方法，利用人工神经网络建立弯管质 哈尔滨理t 大学t 学硕l ：学位论文 量预测控制模型，实现对弯管质量进行预测控制，分析预测结果并反馈到弯管 加工进程中，从而可以对管材弯曲的工艺参数进行智能调节，最终实现管材弯 曲的精确成形。 本文的主要研究内容如下： l 、介绍电站锅炉弯管机的工作原理，探索管材弯曲的成形机理，分析管材的 规格及材料参数、工艺参数等对弯管成形质量的影响。 2 、利用人工神经网络建立对弯管质量的预测控制模型和弯管机智能控制系 统。 3 、对弯曲成形智能控制系统进行开发，将智能控制系统与弯管机数控系统有 机结合，应用于实践生产。 哈尔滨理t 大学t 学硕f ：学位论文 第2 章弯管工作过程及成形质量影响因素分析 2 1 弯管机工作过程概述 绕弯是管材弯曲方式里最为常用的一种方法。而绕弯又有推压式、碾压式 和拉拔式三种。按弯曲时有无填充物可分为有芯弯管和无芯弯管。按弯曲时加 热与否可以分为冷弯和热弯n 9 1 。 推压式是管材弯曲加工中较为常见的弯管方法，一般是用在液压机等设备 中。冷弯无芯推压式工艺进行生产过程如图2 1 所示： 图2 - 1 冷弯无芯推压式生产示意图 f i g 2 - 1d i a g r a mo fc o l d f o r m e da n dn o n - m a n d r e lp u s h i n g 利用十字键固定安装在弯曲设备上的模具在液压的驱动作用下转动。固定 夹块与模具被安装在一起用来作为夹紧管材的管道。管材被央紧之后，通过液 压缸提供的压力对其进行锁紧，通过活动央块将管材夹紧，并由滑槽型腔限制 管子尾部的转动，最后，固定央块、活动夹块以及扇形盘一同旋转，在模具的 综合作用下实现管材的冷弯成形。 2 2 管材弯曲变形特点 作为管材塑性加工方法中的一种，管材弯曲加工被广泛应用于机械、锅 哈尔滨理丁人学t 学硕 学位论文 炉、石油化工、航空航天等工业领域。由于管材具有空心横截面的几何特点， 使得其在弯曲过程中容易发生横截面形状和壁厚的变化。除了分析管材弯曲方 式、加工工艺难点以及成形质量缺陷之外，还必须解决一些其它的工艺问题 2 0 1 ，例如根据管材的形状特点选择合适的弯曲方式，采取施加外力或力矩的方 法减小管材弯曲后的形状畸变，使用简单便捷的模具和设备以保证低成本和高 效率。 图2 - 2 外力矩m 作用下管材弯曲不意图 f i g 2 2d i a g r a mo ft u b eb e n d i n gu n d e rt h ee x t e m a lt o r q u em 图2 2 是管材在外力矩m 作用下顺时针弯曲后得到的形状。将c d 线称为 弯曲起始线，e f 线称为弯曲终止线。图中所示的r 线是管材的弯曲半径，r 线将管材截面分为内外侧两部分，其中小于r 的部分称为内侧，半径大于r 的部分称为外侧。管材的横截面中，由外到内呈拉力到压力的梯变状态，而且 最外侧边缘拉伸力最大，而最内侧边缘压缩力最大，并各自向截面中心递减。 因此，管材的横截面必定存在一个特别的层，即次层中所受的应力为零，将该 层称为应力中性层；同理，外侧和内侧的应变逐渐向中间递减，并产生一个应 变为零的层，该层被称为应变中性层卜”。 整个管材的弯管过程包含了弹性变形阶段和塑性变形阶段。弹性变形过程 中，应力中性层和应变中性层是相互重合的；塑性变形过程中，管材的变形已 经超过了材料的屈服极限，应力应变关系不再遵循胡克定律，两种中性层将发 生分离，并且两者都向r 线内侧移动，应变中性层向内侧移动的速度稍低于应 力中性层。当弯曲程度不是很大时，两种中性层的移动可以忽略不计，并将r 线直接简化为管材的中性层。 根据塑性变形体积不变的原理，管材弯曲过程中，中性层内外侧发生压缩 哈尔滨理- t 人学t 学顾 = 学位论文 和拉伸，则另外两个方向也必然产生于切向方向相反的应变。从管材弯曲的力 学特性可以看出，管材外壁受拉力，内壁受压力，综合作用的结果就是管材弯 曲部分的截面形状发生不同程度的变形2 2 1 。 2 3 弯曲成形中的各种失效形式 从变形特点及性质来看，管材弯曲和板材弯曲有许多相似之处，但管材所 具有的空心截面形状特点使得其在弯曲过程中容易发生截面形状和壁厚的变 化，所以实际的弯曲生产中，两者的加工方法、工艺特点及质量缺陷形式等差 异是很大的。前面管材弯曲变形特点介绍中，可以判断出管材最容易产生的质 量缺陷是截面的畸变以及内外侧管壁的失效。 2 3 1 管材横截面的缺陷形式 在弯矩m 的作用下，管材中性层受到内外侧切向应力和法向应力的综合 作用，使得截面受压而产生变形，其截面横向直径增大，纵向直径减小，呈椭 圆化形状。而且当变形程度越大，椭圆化现象越严重。 实际生产中一般采用椭圆度这一概念来从整体上反映截面形状变化的实 质，其表示公式为： 椭圆度z 。! 三旦盖j 三三2 匝坠1 。 ( 2 1 ) 式中，d m 。、d m i 。分别为在管材同一横截面任意方向所测到的最大与最小外径 尺寸。实际生产中椭圆度常被用来作为检验弯管成形质量的一项重要指标。管 材截面的椭圆化使得管材内部流体流动受到更强的阻力，而且截面的畸变对其 机构功能也有着弊端“。针对管材截面的椭圆化这一质量缺陷，通常在弯曲加 工过程中采取一些防止措施，使得椭圆度尽可能控制在允许范围之内。防止截 面形状椭圆化的有效途径主要有两种卜”： 1 、使用芯棒支撑管材截面以防止产生截面椭圆化。芯棒主要分类为硬式 芯棒和软式芯棒，硬式芯棒主要使用在压弯或绕弯时；软式芯棒主要用来弯制 薄壁或相对弯曲半径相对较小的管材。 2 、给受弯管材内充填介质。填充介质主要可分类为颗粒状介质、流体介 质、弹性介质或低熔点合金等，利用填充介质的最大优点就在于易于在弯曲变 形结束后将其取出，而且不影响弯曲件的使用性能。往管材填充介质操作非常 方便，所以这种方法应用比较广泛，大多用在中小批量的生产。 哈尔滨理t 大学t 学硕j j 学位论文 2 3 2 管材管壁的缺陷形式 管壁厚度的薄厚往往体现了管件所能承受内压的能力。在生产中，为了满 足管材弯曲件的使用性能，通常采用壁厚减薄率作为衡量壁厚变化程度的技术 指标之一。 ， 壁厚减薄率a = 曼1 0 0 ( 2 2 ) f 式中f 为管材的初始壁厚，0 ；。为管材弯曲后的最小壁厚。 工业生产中，对管材壁厚减薄率的要求也随着管材的使用性能不同而异， 例如工业管道工程中所使用的管件，对减薄率的要求也是从1 0 到1 5 不等 m 川。管材壁厚的减薄量，主要受到管材相对弯曲半径r d 和相对厚度t d 的 影响。 管材壁厚的减薄导致弯曲件所能承受内压能力的降低，从而影响了管件的 使用性能。根据壁厚变化的成形机理，通常从两个方面尽可能减小壁厚减薄 量：一是通过降低弯曲中性层外侧产生的拉应力数值，例如可以采用适当的工 艺方法降低中性层内侧金属材料的变形抗力，使得主要变形集中到受压部分； 二是改变变形区应力状态，提高压应力的成分，例如给管材施加轴向推力，使 得中性层发生了向外偏移，从而扩大了受压区，减少了受拉区m “。 此外除了壁厚减薄率，壁厚增厚率也常被用作反映壁厚变化程度的技术指 标之一。 f 一， 壁厚增厚率= 鱼坠二1 0 0 ( 2 - 3 ) r 式中0 。为管材弯曲后的最大壁厚。 管材壁厚的增厚与减薄，与相对弯曲半径和相对厚度有着很大的关联，同 时弯管加工方法对管材壁厚变化量的影响也极大。因为壁厚变化量与中性层外 侧的拉应力和内侧的压应力有着直接的关联，所以在各种的管材弯曲工艺中， 能够降低拉应力和压应力的方法都是有助于减小壁厚变化量的。 管壁减薄、增厚以及椭圆化对弯管机的使用性能都产生了消极影响，所以 为了保证产品的合格，都会选择一些工艺方法保证管材壁厚变化量被控制在尽 可能小的允许范围内。 哈尔滨理t 大学工学硕i j 学位论文 2 4 各参数对管材弯曲成形质量的影响分析 管材弯曲加工工艺过程是一个变形非常复杂的问题，很难利用一般的力学 理论公式建立解析计算模型求解，因为简化冷弯管工艺过程模型会使得计算结 果产生很大的偏差。 与解析计算方法相比，有限元模拟方法计算能力强，并且直观快捷，用来 进行分析管材的成形过程是非常合适的。本章主要利用有限元模拟从影响成形 质量的各个因素出发，对各个因素对成形质量的影响进行直接分析。 2 - 4 1 材料尺寸参数对管材弯曲成形质量的影响 通过前面管材弯曲变形特点的知识，可以知道管材的外径和壁厚大小与最 终的成形质量有关，如果仅考虑其中的一个单因素，并不能完整的描述她们之 间的内在关系，所以采用相对壁厚t d 作为对成形质量分析的因素。 以p 9 1 为例，分别采用d 5 4 7 、d 5 4 1 1 、d 6 3 7 、d 6 3 l l 四种规格的管 材进行有限元分析，它们的相对壁厚分别为0 1 2 9 6 、0 2 0 3 7 、0 1 1 1 1 、0 1 7 4 6 。 其9 0 。成形质量结果如表2 1 所示。 表2 1 四种尺寸规格的p 9 1 管材弯曲后9 0 。处的成形质量 t a b l e 2 1f o r m i n gq u a l i t i e so f f o u rs i z e so fp 9 1a t9 0 。 相对鼙厚椭圆度减薄率增厚率 o 1 1 1 14 9 7 9 8 8 1 0 6 5 0 1 2 9 6 3 8 6 1 0 6 7 8 2 0 1 7 4 62 6 2 1 0 3 2 9 - 3 2 0 2 0 3 7 2 1 2 9 2 6 l o 2 1 结果发现，随着相对壁厚的增大，弯管的成形椭圆度明显减小，但减薄率 和增厚率的变化却无明显规律。 2 4 2 相对弯曲半径对管材成形质量的影响 采用尺寸规格为d 6 3 1 1 ，材料为p 9 1 的管材进行弯曲模拟，弯曲半径分 别为r 4 0 0 、r 5 0 0 、r 9 0 0 、r 1 3 0 0 ，即相对弯曲半径分别为在9 0 。截面成形质 量结果如表2 2 所示。 哈尔滨理工人学t 学硕士学位论文 表2 2 不同相对弯曲半径下9 0 。处的成形质量 t a b l e 2 - 2f o r m i n gq u a l i t i e so f d i f f e r e n tr e l a t i v eb e n d i n gr a d i u so f p 9 1a t9 0 。 相对弯曲、卜径椭圆度减薄率 增厚率 6 3 4 9 22 0 3 1 0 5 3 1 1 6 4 7 9 3 6 51 8 4 1 0 0 2 1 1 - 3 2 1 4 2 8 5 71 0 2 9 6 2 1 0 0 4 2 0 6 3 4 90 8 3 9 1 5 1 1 8 2 结果发现，随着相对弯曲半径的增大，管材的弯曲成形质量，无论是椭圆 度、减薄率还是增厚率都呈不同程度的提高。这与相对弯曲半径增大而使变形 程度减小，塑性成形质量提高的理论是一致的。 2 4 3 材料性能对弯管成形质量的影响 采用尺寸规格为d 6 3 1 l ，弯曲半径为r 4 0 0 ，材料分别为p 9 1 和 1 2 c r lm o v ，通过性能试验可知，p 9 1 的强度比1 2 c r l m o v 要大，在9 0 。截面 成形质量结果如表2 3 所示。 表2 - 3 不同牌号的管材弯曲后9 0 。处的成形质量 t a b l e 2 - 3f o r m i n gq u a l i t i e so f d i f f e r e n tt r a d e m a r ka t9 0 。 材料牌号 椭测度减薄率 增厚率 p 9 12 3 2 9 5 7 1 1 1 2 1 2 c r l m o v2 8 1 9 9 3 1 0 7 7 结果发现，强度大的材料所弯制的管材，成形结果也会更好。 2 4 4 工艺参数对弯管成形质量的影响 弯管的主要工艺参数，包括施加的主弯矩和对管材尾部施加的推力，这两 项是管材弯制中必须直接控制的参数，所以它们对成形质量的影响分析也是关 注的重点。 首先分析弯矩对成形质量的影响，尺寸规格d 6 3 11 ，弯曲半径为r 4 0 0 ， 弯矩分别为0 9 8 0 ，1 0 0 0 和1 2 0 0 ，在9 0 。截面成形质量结果如表2 - 4 所示： 表2 - 4 不同弯矩下9 0 。处的成形质量 t a b l e 2 4f o r m i n gq u a l i t i e so f d i f f e r e n tm o m e n ta t9 0 。 弯矩椭吲度减薄率增厚率 0 9 8 04 3 2 9 3 6 1 1 6 5 1 0 0 0 4 6 2 1 0 2 1 1 2 3 4 1 2 0 04 3 5 1 0 0 3 1 2 0 6 哈尔滨理t 人学丁学硕士学位论文 发现，弯矩对管材成形质量的影响并无明显规律。 其次分析尾推力对成形质量的影响，管材尺寸选择d 6 3 1 1 ，弯曲半径为 r 4 0 0 ，所施加的尾推力由小到大分别为3 k n ，6 k n ，1 0 k n ，1 5 k n ，在9 0 。截 面成形质量结果如2 5 表所示。 袁2 5 不同尾推力下9 0 。处的成形质量 t a b l e 2 5f o r m i n gq u a l i t i e so fd i f f e r e n te n dt h r u s ta t9 0 。 尾推力椭圆度减薄率增厚率 3 k n 5 0 3 1 0 2 5 1 1 2 6 6 k n4 3 2 9 8 6 1 0 3 4 1 0 k n 3 0 1 8 8 l 9 1 3 1 5 k n 4 2 1 9 3 4 1 0 5 7 结果表明，随着尾推力的增加，其成形质量都全面的得到了提高，但是如 果尾推力超过了一定范围，成形质量反而会下降，这与管材弯曲变形特点里分 析的情况是一致的。 2 5 管材材料的性能识别 对弯管成形结果的有限元模拟分析可知，材料的性能参数对成形质量有着 密切的联系。即使是同一种牌号不同批次的管材，之间的性能参数也是有着波 动的，因此必须在管材弯曲之前对其进行性能识别。 材料性能的识别主要包括四部分，即材料的弹性模量、屈服强度、硬化指 数和强度系数。下面将分别对这四部分进行性能识别方法的介绍。 2 5 1 弹性模量的性能识别 在拉伸的初始阶段，材料发生的变形会随着施力t l # l - 力的去除而消失，这一 阶段被称为弹性阶段。这种材料抵抗自身弹性变形的能力称为材料的刚度，常 用弹性模量e 表示。公式表示为： e = 酬8( 2 - 4 ) e 值的大小主要取决于各种材料的本性，而一些处理方法( 如热处理、冷 热工、合金化等) 对它的影响很小m ”“1 。 ， 在拉伸试验中，弹性阶段的拉力与试件伸长量成正比，拉伸曲线是一条直 线。因此取应力应变曲线直线阶段的斜率即可表达弹性模量e 。 在计算中，可根据拉力拉伸量曲线求解e ： 哈尔滨理丁大学t 学硕上学位论文 其中 p 仃= ( 2 - 5 ) 凡 占= 竽 ( 一2 - 0 ，) 占= i) 式中，p 为所施加的拉伸力，a o 为管材的初始横截面面积，l 为试样拉伸的 长度，l o 为试样初始标距。 在本次实验中，我们发现所得到的应力应变曲线中，弹性变化阶段并不是 一条绝对的直线性曲线，而是由一个小小的曲折现象，经过分析判定，这与试 件的加工精度有关，但并不会影响整个的弹性曲线形状。 在工程应用中，通常是对拉伸过程中材料的应变小于1 时，进行采集数 据点( p i ，t l l i ) ，并将一定数量的数据进行处理，剔除异值，然后利用公式计 算。 根据公式( 2 4 ) 的变换可得 d=e(2-7) 根据式2 5 与2 - 6 得施加拉力与试件拉伸量的关系为 尸：e a l 拿 ( 2 8 ) l 0 通过测得m 组拉力和伸长量( p ，她) ，( i = 1 , 2 ，m ) 。并对公式( 2 - 8 ) 进行 最d , - - 乘法变换，可以得到 2 5 2 屈服强度的性能识别 ( 2 - 9 ) 当拉力超过一定值时，应力应变图中的曲线出现了平台现象，即当拉力不 再增加而试样继续发生变形的现象，这种现象被称为屈服眇。3 1 1 。然而工程上使 用的很多材料都没有明显的屈服现象，例如图2 3 所示，发现材料的拉伸曲线 并没有明显的屈服平台现象，拉伸曲线呈光滑转折，这类材料的屈服强度则采 用国标中规定以试样的塑性变形量为试样标距的o 2 时材料所承受的应力值 哈尔滨理t 大学工学硕i j 学位论文 来表示，以c r 0 2 表示。 图2 - 3 拉伸过程中的屈服现象 f i g 2 3y i e l d i n gi nd r a w i n gp r o c e s s 2 5 3 硬化指数的性能识别 应变硬化指数n 是表明材料拉伸时塑性变形阶段的应变硬化的一个重要参 数，它描述材料的应变硬化特征和程度，是材料拉伸时的一种直接度量p 2 。3 4 。 硬化指数n 大时，表示材料冷变形时硬化显著，对后续变形工序不利，有时还 必需增加中间退火工序以消除硬化，使后续变形工序得以进行。但是n 值大时 也有有利的一面，能使工件有很好的刚性。n 的定义如下： 仃= k 矿 ( 2 - 1 0 ) 上式中，k 为强度系数。根据塑性范围内，应力应变指数曲线对数形式确 定应变硬化指数n 值，即 l o g o - = l o g k + 以l o g g ( 2 1 1 ) n 值与1 3 s o h 有关，屈强比越小，n 值越大。 n 值的测定主要有两点法、四点法和七点法，通过拉伸试验的应力应变曲 线发现，试件的延伸率在9 到2 3 不等，所以不适合使用两点法和四点法， 因此将重点介绍采用七点法测量1 3 值。 ，nn _ 以一e m 刀= 号三l 三l 一 ( 2 一1 2 ) ( ) 2 一( ) 2 t = l i = 1 式中n 为测试点数，x i 为l o g l n ( l i l 0 ) ，咒为l o gp _ f - l o ga 0 + l o g ( l , 厶) ，p 为 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 载荷，4 0 为试样原始截面积( m m 2 ) ，厶为载荷所对应瞬时长度( m m ) ，厶原始 标距长度( m 瑚) 。 我国和美国对硬化指数n 的计算方法都采用七点法，数据精确。 2 5 4 强度系数的性能识别 由公式，并且已经求出了硬化指数n ，通过测得m 组材料应力和应变数据 ( 吒，t ) ，( i = l ，2 ，脚) 。运用线性最小二乘法得到强度系数k 的计算方法： m e q 一q o k = 旦l 号 ( 2 13 ) 朋# 一一聊i 彰j 一i 一i f l1 = 1 j 综上，通过实时测量试件拉伸过程中的拉力试件伸长量曲线，利用最小 二乘法实现了管件弹性模量、屈服强度、硬化指数和强度系数的识别。 2 6 本章小结 本章简单介绍了管材弯曲的变形特点，指出了其弯曲过程中容易产生的失 效形式是管材的截面畸变、外壁的开裂以及内壁的褶皱。运用有限元模拟的方 法分别研究了弯管过程中各个参数对成形质量的影响，明确了各参数对成形质 量的影响是不同的，也可以看出研究各参数对成形质量综合影响的必要性。因 为知道了性能参数的波动性影响着管材的最终成形，所以本章对管材的性能识 别方法做了简单介绍。 哈尔滨理_ 丁人学t 学硕i ：学位论文 第3 章弯管机智能控制系统模型的建立 3 1 弯管机智能控制系统 管材弯曲成形智能控制系统是在对管材弯曲成形过程机理进行深入细致研 究的基础上，结合了神经网络技术、数据库技术、计算机应用与编程技术等相 关理论知识所建立的。图3 1 所示为管材弯曲成形智能控制系统总框图。 管材物性参数、工况参毅，成形质量参熬以及工艺参数 图3 - 1 管材弯曲成形智能控制系统总框图 f i g 3 - 1d i a g r a mo ft h et u b eb e n d i n gi n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m 通过性能试验获得被弯管的性能参数，并依据这些性能参数从数据库中检 索出相似的弯曲成形过程，通过滤波处理初步估算出弯管加工的工艺参数值， 然后运用建立好的神经网络预测系统，输入实验方法所获取的材料物性参数和 前面提及的工艺参数估算值，从而预测出成形质量参数。根据分析成形质量预 测值与期望值之间的误差，如果误差在允许范围内，则之前所估算出的工艺参 数值是合格的并将其直接应用于管材的弯曲加工当中，反之，如果两者之间的 误差超过了允许范围，则必须对工艺参数估算值进行修正，并将修j f 后的工艺 参数值反馈到神经网络预测模型中，直至重新生成的质量成形参数与期望值的 之间的误差符合要求。 哈尔滨理丁人学t 学硕 j 学位论文 3 2 人工神经网络概述 人工神经网络也可简称为神经网络，它是由大量具有相同结构的简单的基 本单元相互连接而成，用来模拟动物神经网络行为特征的复杂激励过程，是一 种与人类的大脑结构和思维方式极其相似的可实现的自适应非线性函数逼近系 统瞄粕1 。神经元是神经网络最基本的组成单位，其模型主要是基于模拟动物神 经元进行信息的特性传递。图3 2 为人工神经网络基本处理单元的神经元模 型。 0 l 图3 - 2 神经兀模型 f i g 3 - 2n e u r o nm o d e l 图3 2 中，x ；网络的输入信号，并施加在神经元的输入端突触上，w i 是反 应所应输入信号x ；突触传递强度的连接权系数，w ；可为j 下值，也可为负值， 主要体现为对网络输入信号是否响应。信号经过突触后的积累值x ；w ；与神 经元阀值0 进行比较，从而决定神经元的输出值。神经网络通过调节内部大量 节点之问的连接关系从而实现对信息的处理p “。 人工神经网络具有自学和自适应能力，能够实现对各种复杂非线性关系的 映射。通过对预先提供的输入输出样本进行学习，分析并掌握输入与输出之间 潜在的数学模型规律，然后依据这种网络规律，利用新的输入样本来推算输出 结果，这种学习分析的过程被称为“- p i l 练 。神经网络特点可以归纳如下p “： 1 能够以任意精度逼近任何非线性映射； 2 除了对已有的知识进行学习，还可以在学习的基础上进行学习推理： 3 具有良好的鲁棒性； 4 可以建立多输入多输出的结构模型，适合于处理各种复杂问题。 神经网络已经被应用到了各个领域，例如预测