直缝焊管排辊成型机组全流程自动化参数建模的方法

摘要

本发明涉及一种直缝焊管排辊成型机组全流程自动化参数建模的方法，首先从现场取得建模所需要的快速设定参数，然后根据相关的零件图纸和装配图纸完成了成型轧辊的辊形参数和装配关系的整理，接着确定各道次成型轧辊位置的关系式，建立了快速设定参数与辊心之间的关系，在此基础上基于ADPL语言，按照制定的CAD建模思路和CAE建模策略依次分别实现了极其复杂的高频直缝焊管排辊成型机组的CAD/CAE模型的自动化参数建模。本发明是一种能够准确、快速、高效、灵活地实现了从数据库中调用快速设定参数以及相应产品规格的轧辊几何特征参数来自动参数化生成成型机组CAD/CAE模型的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种塑性加工技术领域的建模方法，具体是一种直缝焊管排辊成型机组全流程自动化参数建模的方法。

背景技术

辊弯成型是板带深度加工的一个重要领域。它是通过由多段具有一定表面形状成型轧辊所组成的成型机组对坯料逐步进行弯曲变形，从而得到均一截面产品的塑性加工方法。直缝焊管是其主要的产品之一，由于直缝焊管具有生产效率高、管壁厚度均匀、尺寸精度高、表面质量好、能源和材料消耗少等优点，所以直缝焊管生产在最近的几十年里面有了非常迅速的发展，目前在世界各国钢管生产中，直缝焊管所占的比例不断增加。在直缝焊管的传统辊式成型的过程中，板材依次经过布置在成形方向上的各个水平和垂直成型轧辊，由平面逐渐连续地弯曲成所需要的圆周截面，其整个变形是一个经历大位移、有限应变的过程，具有很强的非线性，成形规律难以把握。

经对现有技术的文献检索发现，韩志武等在《金属学报》2000年第36卷第11期第1219～1222页上发表了“有限条法模拟直缝焊管成型过程”，该文中提出了采用基于增量拉格朗日法的大变形样条有限条法，并用于模拟直缝焊管的成型过程，获得了变形带材的三维位移场、应变场和应力场。有限条法不足在于：主要侧重于对辊弯成型过程中板带最终变形曲面建模，由于是通过逐段对板带在两组轧辊之间的变形情况进行分析的并且没有对成型轧辊进行建模，不能有效反映整个全流程中所有轧辊共同作用下板带实际的变形形态。检索中还发现，姜军生等在《焊管》2006年第29卷第6期第37～39页上发表了“基于Solidworks的焊管成型辊三维参数化造型系统开发”，该文中提出了以Solidworks为绘图支撑平台，采用基于焊管成型辊形状特征技术的参数化绘图方法，实现了整套焊管成型辊零件参数化绘图。其不足在于：仅仅是实现了所有成型辊零件的参数化绘图，既无法实现成型机组全流程CAD模型的自动化参数建模，更无法实现成型机组全流程CAE模型的自动化参数建模。

由于传统的辊式机组轧辊数量少，建模简单，所以多数专业人员通过成熟的商业化软件依次分别手动进行CAD和CAE建模。但是对于高频直缝焊管排辊成型机组而言(排辊成型是为了克服传统辊弯成型中边缘变形和回弹过大以及成型立辊共用性差的缺点而在成型方向用大量形状相同小辊代替成型立辊的一种较先进的技术)，由于该成型机组的轧辊数量非常多(有近100个成型轧辊)，接触情况异常复杂，建立CAD/CAE模型时各排辊的空间定位非常复杂，所以目前国内外针对高频直缝焊管排辊成型机组的自动化参数建模技术的研究基本处于空白。如果仅借助商业化软件来进行手动建模，其建模的工作量大，时间长，效率低，而且很难保证建模的准确性，更无法进行方便的修改。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种直缝焊管排辊成型机组全流程自动化参数建模的方法，使其克服目前高频直缝焊管排辊成型机组的轧辊数量极多，其品种规格繁多，而传统的手工建模方法过于繁琐、效率较低、容易出错、不便修改的问题，可以更方便灵活地研究极其复杂的高频直缝焊管排辊成型过程的成形规律，提前预测产品缺陷，以减少轧辊设计和孔型设计的盲目性。本发明是一种能够准确、快速、高效、灵活地实现了从数据库中调用快速设定参数以及相应产品规格的轧辊几何特征参数来自动参数化生成成型机组CAD/CAE模型的方法，同时它还具有极好的可重复修改的特点。

本发明是通过以下技术方案实现的，具体包括如下步骤：

第一步，对成型轧辊的辊形特征和快速设定参数进行数据集成

首先从现场的工控机中导出跟所有辊位参数密切关联的快速设定参数(即QS参数)，然后从现场取得所有图纸中，分别整理出来轧辊的零件图纸和装配图纸以及基准图纸(用于描述快速设定参数和辊心的关系)，然后根据零件图纸确定各个成型轧辊自身的几何特征参数(即辊形参数)，同时根据装配图纸得到不同成型段各轧辊的装配关系。

第二步，确定各道次成型轧辊辊心的空间位置与快速设定参数的关系式

首先根据装配图纸抽象出各成形轧辊之间的相互装配关系，再依据各成型道次相应的基准图纸确定快速设定参数与基准线间的关系式，最后结合相应的装配关系就可以建立起快速设定参数与辊心之间的关系式，从而得到轧辊辊心高度、宽度以及旋转角度跟快速设定参数的关系式。

第三步，高频直缝焊管排辊成型机组全流程CAD模型的自动参数化建模

首先自动调用存储在数据库中辊形参数，基于ADPL语言(参数化设计语言)的点、线、面以及体操作分别依次完成所有成型轧辊的CAD模型的建模，然后自动调用存储在数据库中辊位参数(即现场的快速设定参数)，并利用计算轧辊位置的关系式得到所有成型轧辊模型辊心的空间坐标值、自旋角度值以及自身轴线的倾斜角度值，同时基于ADPL语言中的移动和装配操作实现所有成型轧辊的最终空间的装配定位，从而得到高频直缝焊管排辊成型机组全流程CAD模型。

第四步，高频直缝焊管排辊成型机组全流程CAE模型的自动参数化建模

为了保证所建立的排辊成型机组全流程有限元模型在计算时能够既达到较好的工程分析精度，又能使得分析计算的CPU时间较短，这对机组CAE建模策略中单元网格划分(单元类型、单元大小)的选择、材料模型的定义、接触处理的方式以及约束边界条件的设定提出了较高的要求。板带选用体内单点积分的双层实体单元，其宽向的网格密度尽量保证每2度一个单元；轧辊选用面内单点积分的壳单元，其网格尺寸为5～10mm左右。板带的材料模型采用Swift各向同性应变硬化方程描述，所有成型轧辊均采用为刚性材料模型。板带与每个轧辊之间的接触方式为基于罚函数的自动面面接触类型，摩擦系数为0.1左右。板带纵向的中心线定义为对称约束，其前排节点受一恒定的牵引速度作用，其大小为6-15m/s左右。对于所有轧辊的辊心而言，除了沿着其自身轴线的转动自由度没有被约束外，其它所有自由度均被约束。

在得到排辊成型机组全流程CAD模型的基础上，提取构成轧辊CAD模型中的关键线和面的ID号，然后通过输入CAE建模的控制参数(包括单元类型、网格密度等)来对轧辊和板带中不同ID号的线、面进行划分网格，同时对划分好的网格进行质量评价(长宽比＜3)，如果网格质量不符合要求，则重新修改控制参数中的网格密度进行网格的重新划分。如果网格质量符合要求，则接着划分其它轧辊。直到所有轧辊网格划分完成，再接着依次进行不同成型段轧辊的材料模型、接触以及边界约束条件的自动定义，最终实现排辊成型机组的全流程CAE模型的自动化参数建模。

本发明具有建模效率高、准确性好、可以灵活方便的任意修改机组的CAD和有限元模型，具有很强的实用性和可操作性。本发明特别适用复杂机组的CAD/CAE模型的自动参数化建模。若依靠商业化CAD/CAE软件来对复杂的高频直缝焊管排辊成型机组进行全流程的手工建模，需要耗费时间达1个月之久，而且既容易出错，又非常不方便进行模型的修改；然而通过本发明来实现高频直缝焊管排辊成型机组的全流程CAD/CAE模型的自动化参数建模，不仅将建模时间缩短至1个小时以内(效率提高达700多倍)，而且既避免了人为因素带来的建模错误，同时又能十分方便对模型进行参数化的修改。

附图说明

图1为本发明实施例中粗成型上辊的辊形参数。

图2为本发明实施例中弯边道次的基准图。

图3为本发明实施例中全流程CAD模型自动化参数建模子程序的流程图。

图4为本发明实施例中Φ273排辊成型机组预成型段CAD子模型。

图5为本发明实施例中Φ273排辊成型机组线成型段CAD子模型。

图6为本发明实施例中Φ273排辊成型机组精成型段CAD子模型。

图7为本发明实施例中Φ273排辊成型机组CAD模型的轴侧图。

图8为本发明实施例中全流程CAE模型自动化参数建模子程序的流程图。

图9为本发明实施例中Φ273排辊成型机组预成型段CAE模型。

图10为本发明实施例中Φ273排辊成型机组线成型段CAE模型。

图11为本发明实施例中Φ273排辊成型机组精成型段CAE模型。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

在本发明实施中，首先从现场取得建模所需要的快速设定参数，然后根据相关的零件图纸和装配图纸完成了成型轧辊的辊形参数和装配关系的整理，接着确定各道次成型轧辊位置的关系式，建立了快速设定参数与辊心之间的关系，在此基础上基于ADPL语言，按照制定的CAD建模思路和CAE建模策略依次分别实现了极其复杂的高频直缝焊管排辊成型机组的CAD/CAE模型的自动化参数建模。

实施例

下面以Φ273排辊成型机组为例，具体包括如下步骤：

1)对成型轧辊的辊形特征和快速设定参数进行数据集成

从现场的工控机中导出得一组Φ273排辊成型机组的快速设定参数(即QS参数)，如表1所示，共61个涉及不同成型道次的QS参数。

表1

导向辊  底辊夹送辊215  170间隙厚度  宽度  高度弯边道次5  856  256上辊  下辊粗成型辊BreakDown-37  -50.4上辊4  上辊3  上辊2  上辊1预内成型工具469  448.4  425.6  412.3线内成型工具265.4  255.3  232.2  208.1支撑辊8  支撑辊5  支撑辊4  支撑辊3  支撑辊2  支撑辊1线成型段支撑辊191.4  191.4  267.6  265  226.4  210.9出口宽度  入口宽度  出口高度  入口高度  旋转预成型段排辊1194.7  1250.2  415.2  359.3  3.7线成型第一段排辊3081.5  3151.7  170.3  212.3  87.2线成型第二段排辊2980.8  3030.6  210.9  158.4  67.8线成型第三段排辊2844.2  2935.8  211.6  166.3  54.5上辊  下辊  侧辊  垂直  水平  旋转精成型第一道次138.7  172.2  150.5  157.6  44.9  6.4精成型第二道次139.8  160.8  148.3  134.7  58.8  -0.2精成型第三道次142.9  147.3  146.6  63.6  52.5  6.4

根据Φ273排辊成型机组零件图纸提取出各个成型轧辊自身的几何特征参数(即辊形参数)，总共近183个辊形参数。以粗成型上辊(BDt)为例，如图1所示，其辊形参数分别为：倒角RF_BDt＝100、底径R_BDt＝1700/2、轧辊长度L_BDt＝500，以及截面轮廓半径RP_BDt＝500。

2)确定各道次成型轧辊辊心的空间位置与快速设定参数的关系式

为了建立起快速设定参数与辊心之间的联系，必须依据各成型道次的基准图纸进行不同成型轧辊辊心位置的数学计算式的推导，从而可以得到轧辊辊心高度、宽度以及旋转角度跟QS参数的关系式。下面以弯边道次为例进行说明，如图2所示，由弯边道次的基准图纸可以得到全局坐标系下弯边上、下辊辊心高度和宽度的绝对坐标值跟QS参数及其自身辊形参数的计算关系式。首先可以根据基准图纸和弯边道次的装配图纸得到弯边下辊(EDb)辊心的宽度和高度的绝对坐标计算式分别如式(1)和式(2)所示：

X_EDb＝Xqs_EDb/2                   (1)

Y_EDb＝1200+(Yqs_EDb-220)-227.2    (2)

然后依据其弯边上、下辊的装配关系，可以得到弯边上辊(EDt)辊心的宽度和高度的绝对坐标计算式分别如式(3)和式(4)所示：

X_EDt＝X_EDb-(R_EDt+R_EDb+gap_ED)*cos(20)    (3)

Y_EDt＝Y_EDb+(R_EDt+R_EDb+gap_ED)*sin(20)    (4)

3)高频直缝焊管排辊成型机组全流程CAD模型的自动参数化建模

在得到Φ273排辊成型机组所有轧辊的辊形参数(183个)、快速设定参数(61个)以及辊心位置的数学计算式(68个)之后，就可以进行基于APDL语言的排辊成型机组CAD模型自动化参数建模子程序的编写，其APDL子程序的流程图如图3所示。在编写CAD建模的子程序时，首先根据输入的辊形参数，依次生成轧辊的关键点、关键线以及二维草图，在此基础上，对草图进行体操作(旋转、拉伸等)可以完成单个轧辊的CAD建模，之后进行轧辊编号检查，直到达到最大的轧辊编号，则表明所有成型轧辊的CAD建模完成。接下来，输入QS参数，并使用轧辊辊心位置的计算式算出各成型轧辊实际的空间绝对坐标，紧接着按照成型方向，依次得到预成型段、线成型段以及精成型段的CAD子装配模型，最后在子装配模型的基础上进行总体装配，从而实现了Φ273排辊成型机组的全流程CAD模型的自动化参数建模。

通过CAD自动化参数建模后得到的Φ273排辊成型机组不同成型段的CAD子模型如图4、5、6所示。由图4可知，Φ273排辊成型机组预成型段的CAD子模型主要包括夹送辊、弯边辊、预内成型工具上辊1-4、粗成型辊以及预成型段排辊组(2组，每组13个轧辊)。由图5可知，Φ273排辊成型机组线成型段的CAD子模型主要包括线内成型工具上辊1-4(R1-R4)、8个下支撑辊以及线成型段排辊组(共3段，每段各2组，每组由10-12个形状完全相同的小辊组成)。由图6可知，Φ273排辊成型机组精成型段的CAD子模型主要包括3个精成型道次以及位于各精成型道次出口的小排辊段。其中每个精成型道次由一个上辊、一个下辊以及两个边辊构成；每段小排棍分为2组，每组由4个完全相同的小辊组成。Φ273排辊成型机组的全流程CAD模型如图7所示，它主要包括三个成形段：预成型段、线成型段以及精成型段。

4)高频直缝焊管排辊成型机组全流程CAE模型的自动参数化建模

实现全流程CAE模型的自动化参数建模的流程图，如图8所示。在得到Φ273排辊成型机组全流程CAD模型的基础上，提取构成轧辊CAD模型中的关键线和面的ID号，然后通过输入CAE建模的控制参数，包括单元类型、网格密度等，来对轧辊和板带中不同ID号的线、面进行划分网格，同时对划分好的网格进行质量评价，如果网格的长宽比大于3，表明网格质量不符合要求，自动修改控制参数中的网格密度进行网格的重新划分。如果网格的长宽比小于3，表明网格质量符合要求，则接着划分其它轧辊。直到所有轧辊网格划分完成，再沿着板材纵向成型的方向依次进行不同成型段轧辊的材料模型、接触以及边界约束条件的定义，最终实现Φ273排辊成型机组的全流程CAE模型的自动化参数建模。

Φ273排辊成型机组预成型段的CAE模型(如图9所示)的单元网格信息如表2所列；接触定义信息如表3所列(表3中，“1”表示两个组件被定义了接触，“0”表示两个组件之间没有定义接触)；边界约束与载荷定义如表4所列(表4中，“1”表示该方向的自由度被限制，“0”表示没有限制；Vx，Vy，Vz分别表示沿x，y，z方向的指定牵引速度)，所有排辊的边界约束条件均在各自的局部坐标系下定义，局部坐标系中的X方向跟各排辊自身的轴线重合。

表2  预成型段的单元网格信息

    组件节点数单元数单元属  材料性质

 性板带564564 420000 Quad4    柔体夹送辊33480 33120 Quad4    刚体弯边辊22680 21960 Quad4    刚体预内成型上辊1-437440 36648 Quad4    刚体粗成型辊24480 23760 Quad4    刚体预成型排辊68400 66528 Quad4    刚体导向辊10304 10120 Quad4    刚体合计761348 612136

表3  预成型段的接触定义

组件板带夹送辊弯边辊预内成型上辊1-4粗成型辊导向辊预成型排辊板带0111111夹送辊1000000弯边辊1000000预内成型上辊1-41000000粗成型辊1000000导向辊1000000预成型排辊1000000

表4  预成型段的边界约束与载荷

Ф273排辊成型机组线成型段的CAE模型(如图10所示)的单元网格信息如表5所列；接触定义信息如表6所列(表6中，“1”表示两个组件被定义了接触，“0”表示两个组件之间没有定义接触)；边界约束与载荷定义如表7所列(表7中，“1”表示该方向的自由度被限制，“0”表示没有限制；Vx，Vy，Vz分别表示沿x，y，z方向的指定牵引速度)，所有排辊的边界约束条件均在各自的局部坐标系下定义，局部坐标系中的X方向跟各排辊自身的轴线重合。

表5  线成型段的单元网格信息

    组件  节点数  单元数  单元属性    材料性质线成型排辊1-6  156672  152064  Quad4    刚体内成型工具1-4组  38808  37800  Quad4    刚体支撑辊(8个)  6624  6336  Quad4    刚体合计  202104  196200

表6  线成型段的接触定义

组件  板带线成型排辊1-6内成型工具1-4组支撑辊(8个)板带    0    1    1    1线成型排辊1-6    1    0    0    0内成型工具1-4组    1    0    0    0支撑辊(8个)    1    0    0    0

表7  线成型段边界约束与载荷

Φ273排辊成型机组精成型段的CAE模型(如图11所示)的单元网格信息如表8所列；接触定义信息如表9所列(表9中，“1”表示两个组件被定义了接触，“0”表示两个组件之间没有定义接触)；边界约束与载荷定义如表10所列(表10中，“1”表示该方向的自由度被限制，“0”表示没有限制；Vx，Vy，Vz分别表示沿x，y，z方向的指定牵引速度)，所有排辊的边界约束条件均在各自的局部坐标系下定义，局部坐标系中的X方向跟各排辊自身的轴线重合。

表8  精成型段的单元网格信息

    组件节点数单元数单元属性    材料性质精成型上辊(3个)  28980  28440  Quad4    刚体精成型下辊(3个)  24660  24120  Quad4    刚体精成型边辊(6个)  34680  34560  Quad4    刚体小排辊(3组)  31104  28176  Quad4    刚体合计  119424  115296

表9  精成型段的接触定义

组件板带精成型上辊(3个)精成型下辊(3个)精成型边辊(6个)小排辊(3组)板带    0    1    1    1    1精成型上辊(3个)    1    0    0    0    0精成型下辊(3个)    1    0    0    0    0精成型边辊(6个)    1    0    0    0    0小排辊(3组)    1    0    0    0    0

表10  精成型段边界约束与载荷

利用本发明建模得到的高频直缝焊管排辊成型机组的全流程CAE模型就可以进行动态显式有限元仿真分析，研究极其复杂的排辊成型过程中板带的变形规律，提前预测产品成形缺陷，减少轧辊设计和孔型设计的盲目性，为企业今后生产具有高质量、高附加值产品成型工艺参数的开发以及工艺技术的研究奠定了基础。

通过本发明来实现高频直缝焊管排辊成型机组的全流程CAD/CAE模型的自动化参数建模，不但将建模时间缩短至1个小时以内(若依靠商业化CAD/CAE软件来进行手工建模，其耗费时间多达1个月)，具有极高的建模效率(相对于手工建模效率提高了近700多倍)，而且既避免了人为因素带来的建模错误，同时又能十分方便对模型进行参数化的修改。