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1、计算机辅助成型在孔型设计方面的应用郑禹(北京科技大学, 北京 100083)摘 要: 介绍了目前国内外计算机辅助孔型设计的现状及发展和该技术在轧钢领域的应用前景随着计算机技术的普及和不断提高，CAE 系统的功能和计算精度都有很大提高，各种基于产品数字建模的 CAE 系统应运而生。同时 CARD 系统是 CAE 系统的一个重要组成部分，CARD 系统将设计计算、绘图、工艺模拟与优化等方面结合在一起，具有效率高、可靠性高、自动绘图、过程模拟、可优化等优势，由六部分模块组成。在总结以往孔型设计系统开发经验的基础上 , 成功地开发了一套既能满足 CIMS 集成要求 , 又能作为独立软件包满足设计院和轧
2、钢厂使用要求的简单断面型钢孔型计算机辅助设计系统。关键词: CAE；CARD 系统； 孔型设计；CIMS 系统；1. 前言伴随着型钢生产的发展，型钢的设计、生产方法也在不断发展、进步。最早的孔型设计者很少甚至没有制图技术、数学方法以及轧制时金属在轧辊间的流动等方面的知识，他们只能用锉制样板来控制车轧辊而不是预先绘图，在设计中的各种变量也不能记录，只有通过不断试验后才能达到所需要的断面尺寸要求；后来，制图技术及数学的发展，设计人员通过对各种设计变量的分析，凭经验进行产品设计。由于轧制条件对生产过程影响很大，一次试轧成功率低，孔型修改量大，型材成才率低。随着试凑法的出现，人们逐渐抛弃了经验法。随着
3、计算机技术的不断发展，计算机辅助设计 CAE 在 70 年代开始出现，并利用计算机的其他辅助功能进行设计以及过程模拟、产品检验。于是计算机辅助工程 CAE 出现了。它可以解决试凑法过渡到 CAE，对塑性加工业是一次重要的进步。2. 计算机辅助孔型设计的特点可以明显提高孔型设计的可靠性：传统的孔型设计往往受到经验、理论及计算量的限制，对各种方案不能进行充分的研究、比较和判断。设计者本身也不能充分论证设计的合理性、可靠性和优越性。采用计算机孔型设计后，可以进行充分的研究、比较和判断，从而大大地增强了孔型设计的可靠性3。可以提高孔型设计的效率，缩短孔型设计周期，减少实际试轧次数。对于给定的产品尺寸、
4、形状和坯料规格，可以有多种孔型设计，但要从中选出最理想的一种，必须进行反复计算、分析和判断。用计算机完成上述任务则可以大大提高设计效率。如一个设计师设计一套小型连轧机孔型要化 2030 个工作日，而利用CARD 系统设计只需要 2h。可以引进最优化方法，提高企业经济效益：采用最优化方法，可以把最小能耗、最大轧机产量和轧辊磨损最均匀等作为追求的目标函数，通过 CARD 系统做出最小能耗、最大轧机产量和轧辊磨损最均匀的最优孔型设计，这是传统的孔型设计无法胜任的。由于设计时的各种指标达到了最优，轧制时轧辊消耗、电能消耗及轧机备品备件消耗最低，产品成材率最高4。3. 对于现有计算机辅助孔型设计方法的评
5、述目前，人们对计算机辅助孔型设计CARD技术进行了广泛而深入的研究。 1975年国外就已开展了这方面的研究。随着计算机的广泛普及，国内的计算机辅助孔型设计于80年代开始。根据计算机运用的情况可以分为以下几个阶段：一功能型CARD：特点是采用传统的孔型设计方法，参数计算需人工输入，只能设计个别环节，因此实际上只是用计算机代替人工计算和绘图。早期的CARD系统由于受计算机技术和轧制理论水平的限制，多属于这一类型。多功能型CARD：特点是全部或大部分有关量可用数学模型计算，数学模型多为经验7 统计模型。可计算孔型尺寸、轧件尺寸、变形参数、力能参数和轧制温度，以及绘制孔型图、配辊图等。多功能优化型CA
6、RD ：具有多功能型的全部特点，并在此基础上引入优化技术，根据不同需要，按不同目标进行优化，优化目标可以是产量最高、轧制节奏最短、能耗最低、设备负荷均匀、连轧张力最小等等。通常以轧制能耗最低为目标，有时还对能耗最低、道次最少、轧制速度最高、产量最高等多目标进行综合优化。在此阶段中，CARD技术已将理论与生产实际相结合，已经初步取得了良好的经济效益。功能专家系统型CARD ：随着各种数学方法和计算机技术的发展，各种新的技术不断加入到计算机辅助孔型设计中来。较早的有限元法、到现在的模糊算法、神经网络等等。专家系统。其中专家系统的引入尤其让人注目。专家系统是实用的人工智能技术。目前，CARD专家系统
7、正处于探索和发展时期。多功能优化型CARD综合考虑了影响轧制过程的各种因素，并使其量化，根据一定的优化目标用数学方法寻求最优解。但是，型钢生产是一个复杂的过程，并不是所有的信息都适于数模化，尤其是对复杂断面型钢，按一定优化目标得到的最优解可能并不符合实际。只有建立专家系统，让计算机能够模拟人脑的思维过程，才能真正达到CARD系统的优化目标。因此计算机辅助孔型设计的未来发展应该是专家系统，由于轧制生产的复杂性，生产经验在设计中的重要性，以及许多影响参数的作用不能以数学式表达的情况，决定了CARD技术的最终完善要以专家系统的方式将大量的生产经验和设计知识储存起来，供设计者参考。在目前的研究中，也要
8、考虑%&+ 的未来发展，从生产经验和设计知识的逐步积累中寻找规律，以建立专家系统。4. CARD 系统及组成4.1. CARDCARD( Computer Aided oll-pass Design，即计算机辅助孔型设计) ，是 20 世纪 70 年代以来随着计算机辅助设计( CAD) 和计算机辅助工程( CAE) 的相继出现而产生的一种型钢孔型设计新技术，它是采用高级汇编语言将孔型设计、自动绘图和模拟生产等过程有机的结合为一体，具有计算机高速精确数据运算、大容量存储、复杂图形快速处理、在线指导轧制过程等多种功能。4.2. CAD 系统的构成CAD 系统是由一系列具有各种功能的模块或界面组成8
9、-12 ，设计中根据需要不断调用它们，以便完成确定的设计任务。根据功能不同，可以将模块分成工艺参数输入、孔型参数输入、工艺设计计算与校核、人机交互、模拟轧制、结果输出等六部分。工艺参数输入部分主要包括轧件材质、轧辊直径与材质、坯料与成品的横断面积，轧制速度、轧机机架型式等内容。孔型参数输入部分主要包括孔型系统的选择、轧制道次的确定、延伸系数计算与分配、轧制温度、孔型尺寸计算等内容。工艺设计计算与校核部分主要包括力能参数的和稳定条件、轧制设备强度、电机传动能力进行校核。人机交互部分主要包括图形界面、用户界面和人机交互界面，便于设计人员与 CAD 系统进行交流，对参数进行修改。模拟轧制部分可通过调
10、整压下、钢种、轧制温度、轧辊辊径等工艺参数来模拟现场轧制过程，使系统建立自学习、自适应过程，以实现减少轧制工艺调整的盲目性，提高轧制工艺调整的准确性及成品的尺寸精度。结果输出部分为输出孔型设计的结果，主要包括延伸系统的组成图、轧制程序表、孔型参数表、孔型设计的中间参数和各道次的孔型图。5. 计算机辅助孔型设计的发展5.1. 建立 CAD 程序库和图形库任何孔型图和配辊图一般都是有直线和曲线组成的二维图形，所有孔型设计工作者都可以应用 CAD 技术来完成。若想这项技术得到推广，应将金属压力加工所用的轧辊工模具所需的理论计算公式、经验公式和有关计算图表曲线等编制程序建立孔型辅助设计应用程序库，同时
11、将各种轧制产品按标准规定的断面、几何尺寸，使图形数据化存放于计算机中，以便设计中调用。5.2. 发展 CAD/CAM 联合系统轧辊孔型计算机辅助设计的发展方向是计算机辅助加工，简称 CAD/CAM 联合系统。把计算机辅助设计的结果存入磁盘组，在通过计算机控制数控机车，以加工成轧辊的最终孔型，或控制数控切割机或电火花加工电极用以加工孔型样板。这种 CAD/CAM 相结合的系统，从设计到制造无需通过图纸，就能组成一体化生产。5.3. 轧机计算机辅助调整在 CAD/CAM 的基础上，还可进一步发展计算机辅助调整。根据轧制某产品可能出现的轧制缺陷或废品种类，以及行之有效的对策，运用逻辑判断语句这个具有
12、的思维功能，把理论与实践经验有机地结合在一块，编制一个有人工智能的程序，供辅助调整用。在实际生产中出现问题，可以事先约定代码告诉计算机所出现问题的性质和程度，计算机可立刻回答采取的措施和调整的数量，这样即可以缩短调整时间，少出废品，节约金属，又可统一轧钢调整工艺的操作技术，对新工人、技术水平低，缺乏实际经验的厂家尤为实用。5.4. 发展计算机集成制造 CIMS 系统90 年代以前，世界上许多钢铁厂是在自动控制系统与各种计算机辅助技术基础上，利用网络、数据库及通信技术逐步实现集成的。90 年代以后，随着 CIM 体系结构的出台，Simems,ABB 等大电气设备制造公司开始与冶金设备供应商合作，
13、在 CIMS 思想指导下设计轧钢厂，旨在提供生产设备时，提供完整的 CIMS。但在现在还无现成的实例。CIMS 技术由四部分组成：MRP-II 制造资源计划） 、CAE（计算机辅助工程） 、CAM（计算机辅助制造） 、CAQ（计算机辅助质量控制） 。从功能上看，CIMS 包括了一个制造企业的设计、制造、经营管理三种主要功能，要使这三者集成起来，还需要一个支撑环境，即分布式数据库和计算机网络以及指导集成。以下为天津三轧厂 CIMS 属于国家 863/ CIMS 应用示范工程。其研究的任务就是为其开发一套在 CIMS 环境下使用的较完善的简单断面型钢 CARD 系统。5.4.1. 简单断面型钢孔型
14、设计的基本模型5.4.1.1. 宽展模型宽展模型是孔型设计的关键。通过对常用的宽展模型精度的比较 , 见表 1 , 本系统选择了两种模型 , 即乌萨托夫斯基宽展模型和斯米尔诺夫宽展模型1 。表 1 不 同 模 型 预 报 宽 展 的 剩 余 标 准 差 10 - 2宽 展 模 型 箱 进 箱 箱 进 六 角 六 角 进 方 方 进 椭 椭 进 圆 圆 进椭巴 赫 契 诺 夫21441 810909166481797 51143101485古 布 金 21228 517934179451543 4172071569艾 克 隆 得 21235 318045102331213 7103131483莜
15、 仓 恒 树 21301 418594185951375 5124951539乌 萨 托 夫 斯 基 21119 314563117821868 3111231279斯 米 尔 诺 夫 21201 313102195721537 21897212015.4.1.2. 力能参数模型金属变形抗力模型： 热力学变形抗力模型式中 , 0 为基础变形抗力 ,MPa ; kt 为变形温度影响系数; k 为平均变形程度影响系数; k 为平均变形速度影响系数。 德国 VDEh 变形抗力模型式中 , k、m1 、m2 、m3 、m4 为回归系数; t 为变形温度 , ; 为变形速度 ,s- 1 。 斯米尔诺夫模
16、型 :式中 , 为变形抗力 ; n 为应力状态系数 ,根据不同的孔型系统 ,有不同的近似公式。5.4.1.3. 轧制单位压力模型 斯米尔诺夫模型 :式中 , p 为单位压力 ,MPa ; F 为轧件与轧辊接触部分的面积 ,mm2 。 德国 DVEh 模型式中 :m 为平均变形抗力 ,MPa ; Qdm 为平均接触面积 ,mm2 ; Qi - 1 、Qi 为第 i - 1 及第 i 道轧件横截面面积 ,mm2 ; ldm 为接触弧平均长 ,mm ; Hdm 为变形区内轧件平均高度 ,mm ; Dn 为工作辊径 ,mm。5.4.1.4. 轧制力矩模型斯米尔诺夫轧制力矩模型 :式中 , H 为轧前轧件高度 ,mm ; A 为轧辊折算直径 , A = Dn/ H; nz 为根据轧制方案按近似公式确定的力臂系数。5.4.1.5. 温度模型采用采利柯夫温度计算公式 :式中 , t0 为进入该孔型前的轧件温度 , ; 为轧后轧件模截面周边长 ,mm
