一种热连轧多机架板形有限元仿真方法与流程

本发明涉及一种热连轧多机架板形有限元仿真方法，属于冶金行业轧制技术领域。

背景技术：

随着国内制造业的高速发展，尤其是汽车减量化的不断进步，对高强钢的强度与尺寸精度提出了更高的要求。随着高强钢强度的不断增加，带钢本身的变形抗力随之增加，导致在轧制变形过程中，所需的轧制力增加，致使轧机机架与轧辊产生更大的弹性变形，相应地，使带钢成品板形（包括横截面形状与平坦度）与目标板形误差增大，从而使高强钢的板形控制面临更大的困难与挑战。

为了更好地控制高强钢板形，需要一套精确的板形预测工具，系统地研究多机架连轧板形的演变规律，模拟和分析现场所出现的板形问题，进一步优化板形控制数学模型。目前无论是热连轧还是冷连轧，在涉及板形问题的有限元分析中，只局限于单机架的分析和研究，侧重于单机架中窜辊、弯辊、轧制力、张力等对轧后带钢板形的影响分析。这种有限元模型具有很大的局限性，只考虑了本机架中板形的影响因素，忽略了前一机架对本机架的影响，以及本机架对下一机架的影响，因此，不能真实反映整个连轧过程中板形的连续变化规律。

基于目前的有限元商业软件，如果按照实际的热连轧尺寸参数和工艺参数来建模，相比于单机架有限元模型，连轧模型单元总数会成倍增加至百万级以上，计算时间步长急剧减小，导致计算时间大幅增长；并且在热连轧计算中，由于总变形率往往大于90%，单元不断延伸变形，不可避免地会出现单元的畸变和扭曲，致使模型计算精度降低，甚至计算终止。

技术实现要素：

本发明目的在于针对现有高强钢板形控制问题和目前多机架热连轧板形仿真的技术屏障，提出一种热连轧多机架板形有限元仿真方法，将整个热连轧过程分为几个子模型，采用生死单元法与单元重划分技术相结合来逐个计算子模型，，大幅减少热连轧有限元模型的单元数量，计算速度快，对计算平台要求低，并且避开了单元的畸变和扭曲，计算精度高；并通过开发的节点历史数据传递方法来实现模型间带钢温度和板凸度的继承与传递，从而将各个子模型串联为一个整体，实现对热连轧过程中带钢板凸度、温度和轧制力的连续预报与分析，有效地解决了背景技术中存在的上述问题。

本发明的技术方案是：一种热连轧多机架板形有限元仿真方法，将整个热连轧过程分为几个部分，每个部分作为一个子模型，采用生死单元法与单元重划分技术相结合来逐个计算子模型，并通过模型间数据传递方法来进行带钢温度和板凸度的继承与传递，从而将各个子模型串联为一个整体，实现对热连轧过程中各机架带钢板凸度、温度和轧制力的连续预报。

所述将整个热连轧过程分为几个部分，是根据实际道次压下率大小来划分的，上游机架道次压下率大，可以一或两个机架划分为一部分；下游机架道次压下率小，可以三个机架划分为一部分；每部分作为一个子模型。

所述生死单元法是指热连轧计算中，为了减少模型单元，选用一段很短的带钢，在某一机架中轧制时，其他机架的单元全部杀死；在该机架轧制后，带钢处于机架间时，将所有机架单元杀死，只有带钢参与计算；待带钢咬入下一机架前，将这个机架的单元激活，重新参与轧制计算；也就是说，整个轧制过程中，最多只有一个机架单元参与计算。

所述单元重划分技术是指在子模型计算结束后，将该模型中带钢稳定轧制阶段的某一横截面的上下端关键节点坐标提取出来；根据这些关键节点坐标，在下个子模型中重新划分横截面，然后将生成的横截面均匀扩展成带钢单元，这样无论在带钢横向和纵向都为形状规则的八节点六面体单元。

所述模型间数据传递方法包括带钢板凸度的数据传递。具体是指在子模型计算结束后，将该模型中带钢稳定轧制阶段的某一横截，面的上下端关键节点坐标提取出来保存在命令流文件中，在下个子模型建模时运行该命令流文件来生成带钢横截面，再将生成的横截面均匀扩展成带钢单元，这样就能确保前后子模型中带钢板凸度的一致。

所述模型间数据传递方法还包括带钢温度的数据传递，具体是指在子模型计算结束后，将带钢节点温度按照节点编号顺序提取到新的文件中，然后通过子程序将节点温度按照节点顺序赋值给下个子模型中的带钢节点，作为初始温度场，这样保证了前后子模型中带钢温度的一致。

本发明的有益效果是：通过将整个热连轧过程分为几个子模型，采用生死单元法与单元重划分技术相结合来逐个计算子模型，分段思路大幅降低了连轧有限元模型的单元数量，计算速度提升，并且在一般配置的工作站即可计算，替代了超算中心，节约成本；将复杂的多机架连轧简化为总是最多只有一个机架的单元参与计算，提高计算效率；克服了目前商业有限元软件本身六面体单元重划分能力不足的问题，避免了单元的畸变与扭曲变形，提高计算精度。并通过开发的节点历史数据传递方法来实现模型间带钢温度和板凸度的继承与传递，从而将各个子模型串联为一个整体，实现对热连轧过程中带钢板凸度、温度和轧制力的连续预报与分析，能够完整地研究连轧过程的板形变化规律，便于分析板形问题和优化工艺参数。

附图说明

图1是本发明的热连轧仿真思路示意图；

图2是本发明的生死单元法示意图；

图3是本发明的模型间节点温度数据传递流程图；

图4是本发明的模型间节点温度数据传递结果图；

图5是本发明的模型间带钢板凸度传递流程图；

图6是本发明的模型间带钢板凸度传递结果图；

图7是本发明的单元重划分技术示意图；

图8是本发明的各机架出口带钢沿宽度方向的计算板凸度分布图；

图9是本发明的沿宽度方向的成品带钢计算板凸度与实测的板凸度对比图；

图10是本发明的计算带钢温度与实测温度对比图；

图11是本发明的各机架计算轧制力与实测轧制力对比图。

具体实施方式

为了使本发明实施案例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施案例中的附图，对本发明实施案例中的技术方案进行清晰的、完整的描述，显然，所表述的实施案例是本发明一小部分实施案例，而不是全部的实施案例，基于本发明中的实施案例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施案例，都属于本发明保护范围。

一种热连轧多机架板形有限元仿真方法，将整个热连轧过程分为几个部分，每个部分作为一个子模型，采用生死单元法与单元重划分技术相结合来逐个计算子模型，并通过模型间数据传递方法来进行带钢温度和板凸度的继承与传递，从而将各个子模型串联为一个整体，实现对热连轧过程中各机架带钢板凸度、温度和轧制力的连续预报。

所述将整个热连轧过程分为几个部分，是根据实际道次压下率大小来划分的，上游机架道次压下率大，可以一或两个机架划分为一部分；下游机架道次压下率小，可以三个机架划分为一部分；每部分作为一个子模型。

所述生死单元法是指热连轧计算中，为了减少模型单元，选用一段很短的带钢，在某一机架中轧制时，其他机架的单元全部杀死；在该机架轧制后，带钢处于机架间时，将所有机架单元杀死，只有带钢参与计算；待带钢咬入下一机架前，将这个机架的单元激活，重新参与轧制计算；也就是说，整个轧制过程中，最多只有一个机架单元参与计算。

所述单元重划分技术是指在子模型计算结束后，将该模型中带钢稳定轧制阶段的某一横截面的上下端关键节点坐标提取出来；根据这些关键节点坐标，在下个子模型中重新划分横截面，然后将生成的横截面均匀扩展成带钢单元，这样无论在带钢横向和纵向都为形状规则的八节点六面体单元。

所述模型间数据传递方法包括带钢板凸度的数据传递。具体是指在子模型计算结束后，将该模型中带钢稳定轧制阶段的某一横截，面的上下端关键节点坐标提取出来保存在命令流文件中，在下个子模型建模时运行该命令流文件来生成带钢横截面，再将生成的横截面均匀扩展成带钢单元，这样就能确保前后子模型中带钢板凸度的一致。

所述模型间数据传递方法还包括带钢温度的数据传递，具体是指在子模型计算结束后，将带钢节点温度按照节点编号顺序提取到新的文件中，然后通过子程序将节点温度按照节点顺序赋值给下个子模型中的带钢节点，作为初始温度场，这样保证了前后子模型中带钢温度的一致。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

表1和表2列出了某钢厂热连轧产线的实际轧辊尺寸参数和轧制工艺参数。依据上述参数来建立热连轧有限元模型。

表1工作辊和支撑辊的尺寸参数

表2轧制工艺参数

本发明的热连轧有限元建模思路如图1所示，将七机架热连轧产线划分为四部分，分别为除鳞、f1与f2机架、f3与f4机架以及剩余的f5、f6、f7三个机架，每个部分作为一个单独子模型来计算。

下面结合具体模型来介绍单元生死法、模型间数据传递方法和单元重划分技术的使用。

图2显示了单元生死法在子模型2中的使用过程。步骤一，是在轧制前的状态；步骤二，带钢进入第一机架轧制，杀死第二机架的单元；步骤三，带钢在第一机架完成轧制，处于机架间的散热状态，继续杀死第一机架单元；步骤四，带钢进入第二机架轧制，激活第二机架的单元，参与轧制计算。

按照图3所示的流程将子模型2中的横截面形状传递到子模型3中，实现板凸度的继承。图4为板凸度传递的效果图。

按照图5所示的流程将子模型2中的带钢节点温度传递到子模型3中，实现带钢温度的继承。从图6可以看出，带钢温度在前后子模型中保持一致。

图7给出了使用单元重划分技术前后的单元形状对比情况。从图7可以看出，单元重新划分后，无论是在带钢轧制方向和宽度方向，都为规则的单元，保证了计算的精度。

图8给出了计算出的各机架沿带钢宽度方向的出口板凸度。从图8可以看出，从f1机架到f7机架，板凸度整体呈逐渐减小的趋势。

图9和表3给出了计算的f7机架出口带钢板凸度与测量板凸度。从表3中可以看出二者的cw40误差较小，说明了该发明的热连轧板形有限元仿真方法是准确和可靠的。

表3f7出口板凸度对比结果

图10给出了计算的各机架带钢温度与测量的f7机架出口带钢温度。从图10可以看出，计算的f7出口带钢温度与测量值一致，说明了该方法在计算带钢温度方面的准确性。

图11和表4给出了各机架的计算轧制力与测量轧制力对比情况。从可以看出，计算轧制力与测量轧制力基本一致，相对误差在10%之内，说明了该方法在计算轧制力方面的准确性。

表4各机架轧制力对比结果

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