基于曲率積分法的板材矯直理論研究.pdf

1、板材廣泛應(yīng)用于車輛、船舶、橋梁、航空航天等眾多國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。隨著市場經(jīng)濟(jì)的深化和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,用戶對(duì)板材質(zhì)量要求越來越高。盡管采用先進(jìn)的軋制設(shè)備及工藝可以一定程度上提高板材質(zhì)量,但是在軋制生產(chǎn)過程中,由于板厚不均、溫度變化和冷卻不均等原因可能會(huì)使板材產(chǎn)生彎曲、中波和邊波等板形缺陷;另外,即使是平直的板材,如果殘余應(yīng)力過大,在機(jī)械加工、熱處理、運(yùn)輸、使用等過程中,由于殘余應(yīng)力釋放,還可能出現(xiàn)失穩(wěn)而產(chǎn)生新的板形缺陷,嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生微觀裂紋甚

2、至開裂。因此,板材還需要通過后續(xù)的矯直工序改善其平直度和控制殘余應(yīng)力,最終滿足各行業(yè)的高質(zhì)量工程標(biāo)準(zhǔn)要求。
　　板材矯直過程的實(shí)質(zhì),就是通過矯直機(jī)上、下兩排交錯(cuò)排列的矯直輥實(shí)現(xiàn)連續(xù)反復(fù)彈塑性彎曲變形,從而達(dá)到矯直和減少板形缺陷的目的。板材矯直質(zhì)量很大程度上取決于矯直機(jī)的先進(jìn)性和矯直工藝的合理性,這兩者都依賴于先進(jìn)的矯直理論。目前國內(nèi)矯直理論落后于實(shí)踐的現(xiàn)象比較明顯,例如,雖然個(gè)別廠家推出了高剛度、全液壓和全自動(dòng)的新一代強(qiáng)力矯直機(jī),

3、但設(shè)計(jì)機(jī)理并不十分清晰,基本上還處于類比設(shè)計(jì)階段,而工藝模塊仍然要依賴于國外大公司。因此,開展板材矯直理論分析及相關(guān)工藝優(yōu)化的系統(tǒng)深入研究,對(duì)于提高我國矯直機(jī)設(shè)計(jì)水平和矯直工藝應(yīng)用水平、增強(qiáng)國內(nèi)企業(yè)在該領(lǐng)域的核心競爭力具有重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。
　　本文基于曲率積分法建立了反映壓下量與反彎曲率和橫向殘余應(yīng)力關(guān)系的解析模型,采用高效的算法進(jìn)行了數(shù)值求解和試驗(yàn)驗(yàn)證;探討了板材矯直過程中的曲率、應(yīng)力、塑性變形率、矯直軌跡、矯直

4、力和扭矩等主要矯直參數(shù)的變化規(guī)律;結(jié)合傾斜壓下矯直方案并基于曲率積分法針對(duì)典型來料規(guī)格研究了輥系結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定方法;分析了影響矯直質(zhì)量的主要因素,總結(jié)了這些因素與合理壓下量的關(guān)系,創(chuàng)建了第三代強(qiáng)力液壓矯直機(jī)彎輥輥形曲線數(shù)據(jù)庫;基于曲率積分法準(zhǔn)確繪制了與現(xiàn)場數(shù)據(jù)吻合的矯直能力邊界曲線;以輥系壓下量為設(shè)計(jì)變量,以總矯直力或者出口平直度最小為目標(biāo)建立了多約束的非線性隱式壓下工藝優(yōu)化模型,并進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化求解,優(yōu)化結(jié)果和現(xiàn)場數(shù)據(jù)具有較好的一致性。

5、
　　本文取得的主要?jiǎng)?chuàng)新研究成果如下:
　?、偻茖?dǎo)了板材與相鄰兩輥之間接觸角、壓下量與曲率分布關(guān)系的曲率積分模型,首次采用優(yōu)化方法對(duì)該模型推導(dǎo)的非線性方程組直接進(jìn)行了數(shù)值求解,克服了以曲率積分模型為目標(biāo)的迭代算法收斂性差和精度不夠的缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了求解方法的創(chuàng)新。以該模型為基礎(chǔ),對(duì)橫向殘余應(yīng)力進(jìn)行了解析,探討了壓下量對(duì)板材矯后殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。
　?、诳紤]傾斜壓下矯直方案并基于曲率積分法準(zhǔn)確計(jì)算了單輥?zhàn)畲蟪C直力和扭矩,根

6、據(jù)強(qiáng)度理論確定了輥距下限,考慮矯直輥有限的壓下行程確定了輥距上限,在保證矯直質(zhì)量的條件下確定了最少輥數(shù),從計(jì)算的所有品種的最小輥距中挑選出最大值作為最優(yōu)輥距,改變了傳統(tǒng)方法按照塑性極限狀態(tài)確定單輥?zhàn)畲蟪C直力、矯直扭矩,進(jìn)而確定輥距的思路,實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)參數(shù)確定方法的創(chuàng)新。
　?、蹚钠谕苄宰冃温屎驮O(shè)備最大力能參數(shù)限制角度建立了快速確定矯直能力邊界的模型,繪制了粗略的矯直能力曲線,分析了其構(gòu)成原理,以此為基礎(chǔ),結(jié)合傾斜壓下方案并基于曲率

7、積分法對(duì)每個(gè)厚度進(jìn)行屈服極限極大化的準(zhǔn)確搜索,獲得了更接近實(shí)際的矯直能力邊界曲線,為快速判定來料是否可矯、一定厚度板材可矯的最大屈服極限或一定屈服極限板材可矯的最大厚度提供了理論依據(jù)。
　?、芴接懥藖砹习宀暮穸?、材料屈服極限、彈性模量、壓下量和彎輥凸度對(duì)矯直質(zhì)量的影響,研究了在滿足矯直質(zhì)量條件下,這些因素與合理壓下量的關(guān)系,所總結(jié)的理想彈塑性材料板材的彈性極限曲率與合理壓下量之間的規(guī)律與創(chuàng)建的彎輥輥形曲線數(shù)據(jù)庫可以為后續(xù)矯直工藝制

8、定和在線合理設(shè)定彎輥力提供依據(jù)。
　　⑤以總矯直力最小或者出口平直度最優(yōu)為目標(biāo),以輥系壓下量為設(shè)計(jì)變量,以設(shè)備安全運(yùn)行為部分不等式邊界條件,以矯直能力邊界所對(duì)應(yīng)的實(shí)際壓下量為另外一部分不等式邊界條件,以壓下量和輥系反彎能力的關(guān)系為等式約束條件建立了大型非線性隱式矯直壓下工藝優(yōu)化模型,并進(jìn)行了高效的數(shù)值優(yōu)化求解,優(yōu)化的結(jié)果與現(xiàn)場幾百個(gè)品種數(shù)據(jù)具有較好的一致性,驗(yàn)證了所建立模型的可靠性,為現(xiàn)場合理制定壓下工藝提供了理論依據(jù)。