CN103678932A - 用多极边界元法计算辊式矫直机矫直力的方法 - Google Patents
用多极边界元法计算辊式矫直机矫直力的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103678932A CN103678932A CN201310722358.0A CN201310722358A CN103678932A CN 103678932 A CN103678932 A CN 103678932A CN 201310722358 A CN201310722358 A CN 201310722358A CN 103678932 A CN103678932 A CN 103678932A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- sigma
- partiald
- prime
- straightening force
- overbar
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
- Straightening Metal Sheet-Like Bodies (AREA)
Abstract
一种用多极边界元法计算辊式矫直机矫直力的方法,属于辊式矫直的技术领域。特征是首先计算考虑中性层偏移的矫直力;其次计算考虑包辛格效应的矫直力;再次利用自主开发的三维弹塑性多物体接触多极边界元法程序包计算矫直力;最后综合考虑三方面因素,利用各自在矫直力中所占权重最终求得辊式矫直过程中矫直力大小。该发明的优点是得到更为精确的矫直力计算公式,为矫直机设计提供理论支持,矫直力计算更为精确,有效提高矫直效果,进而提高产品质量。
Description
技术领域
本发明属于辊式矫直的技术领域,具体涉及一种利用多极边界元法计算辊式矫直机矫直力的方法。
背景技术
在辊式矫直中矫直力的精确度决定了矫直效果的好坏,板材的产品质量,最终决定了企业在板材市场的竞争能力。目前矫直力的数值计算方法主要是有限元法,但由于影响矫直力的因素有很多,并且非线性程度高,导致有限元计算结果并不理想。进而影响了矫直力模型的建立,矫直效果也受到一定影响,不利于提高产品质量和提升企业的竞争力。
发明内容
本发明目的是提供一种用多极边界元法计算辊式矫直机矫直力的方法,可以有效提高矫直力的计算精度,保证矫直效果。
本发明是这样实现的:
<1>考虑中性层偏移的矫直力计算公式推导
对矫直件进行三维弹塑性接触摩擦分析,利用拉伸区和压缩区微元体的力学平衡关系确定中性层偏移计算公式。以几何中心层为界分为拉伸区和压缩区两部分,在拉伸区和压缩区分别取微元体dα×dρ,反弯曲率半径为ρw,公式推导结果如下:
拉伸区微元体三向主应力分别为:
ρla——拉伸区微元体恰好达到屈服极限时的曲率半径,
ρmax——压弯后矫直件上表面曲率半径,
σs——矫直件的屈服应力。
压缩区微元体三向主应力分别为:
ρmin——压弯后矫直件下表面曲率半径,
ρya——压缩区微元体恰好达到屈服极限时的曲率半径。
中性层向下偏移量为:
2h——矫直件厚度,
在考虑中性层偏移的情况下,矫直力计算公式为:
M——矫直弯矩;
b——矫直件断面宽度。
<2>考虑包辛格效应的矫直力计算公式推导
在直角坐标系下加载和卸载过程进行分析,分别给出弹性区和弹塑性区应力和矫直力的表达式,具体公式推导如下:
①加载过程:
弹性加载区:
弹塑性加载区:
σy——加载时y向应力,
E1——弹性模量,
rc——原始曲率半径,
ys'——压缩区弹塑性界面到中心层的厚度,
σs'——加载屈服应力,
A2——加工硬化系数,
2h——矫直件厚度。
②卸载过程:
弹性加载区:
弹塑性加载区:
σ*y——卸载时y向应力,
σ*d——卸载屈服应力。
考虑包辛格效应的矫直力模型为:
①初始矫直力:
r0c——矫直件的初始曲率半径,
y0s——初始状态弹性厚度;
②弹性区矫直力:
yis——经过第i辊时钢板压缩区的弹性厚度,当压缩区在钢板中心层下方时取负,压缩区在钢板中心层上方时取正。
ric——经过第i辊时矫直件的曲率半径,
f1(εs)——杨氏模量减少量;
③弹塑性区矫直力:
f2(εs)——反向屈服应力减少量。
<3>利用自主开发的三维弹塑性多物体接触多极边界元法程序包计算矫直力
利用fortran语言开发三维弹塑性多物体接触多极边界元法程序包,用于模拟辊式矫直过程。在矫直过程中,将轧件变形视为板弯曲问题的反问题。先建立板弯曲问题的多极边界元法的边界积分方程,利用板弯曲问题的反问题求 解矫直力。
设板的边界为Γ,内部区域为Ω。用w表示板中面的挠度,则板弯曲问题的控制方程可用w做变量表示为:
E——材料的弹性模量,
ν——泊松比,
F——垂直作用于板面的压力。
板的边界条件为:
在Γ1上: 在Γ2上:
βn,βs——板边界上任意点处绕法线和切线的转角,
mn,ms——板截面上的弯矩和扭矩,
q——剪力。
q=n1q1+n2q2,
边界积分方程可写为:
如图3所示,计算流程如下所述:
①将矫直辊和矫直件划分单元,将单元和节点信息以文本形式读入,并确定边界条件;
②输入增量步数据并根据接触条件进行多物体接触检查;
③定义摩擦接触约束;
④求解单元最大长度,根据单元长度分别采用指数展开和球谐函数展开求多极矩系数;
⑤利用GMRES(m)求解方程组(12),并检验是否满足精度,若满足则执行步骤(6),否则返回步骤(3)改变单元长度重新计算;
⑥计算表面应力,判断摩擦状态是否改变。若摩擦状态改变则返回步骤(4)重新计算,否则执行步骤(7);
⑦计算内点应力,判断是否发生穿透。若发生穿透则返回步骤(3),细分增量步,否则执行步骤(8);
⑧计算是否为最后增量步,是则结束计算,否则返回步骤(2)继续迭代计算。
<4>综合考虑多极边界元法计算的数值结果和第一部分推导的关于中性层偏移量和包辛格效应的计算公式,最终得到矫直力计算公式:
F=α1F1+α2F2+α3F3 (13)
α1,α2,α3——权重系数,取决于具体工况;
F1——由中性层偏移决定的矫直力;
F2——由包辛格效应决定的矫直力;
F3——由多极边界元法计算得到的矫直力。
本发明的优点是:建立更为精确的矫直力模型,提高矫直力计算精度和矫直效率,提高产品质量。
附图说明
图1为矫直件微元体受力分析示意图
图2为包含中性层偏移的应力分布图
图3为计算流程图
图中dα×dρ——微元体尺寸,
ρw——反弯曲率半径,
ρla——拉伸区微元体恰好达到屈服极限时的曲率半径,
ρmax——压弯后矫直件上表面曲率半径,
ρmin——压弯后矫直件下表面曲率半径,
ρya——压缩区微元体恰好达到屈服极限时的曲率半径,
2h——矫直件厚度,
σs——矫直件拉伸区屈服应力,
σs'——矫直件压缩区屈服应力,
ys'——矫直件压缩区弹性变形厚度,
ys——矫直件拉伸区弹性变形厚度,
e——中性层偏移量,
A——矫直件几何中心层,
A'——矫直件应力中性层。
具体实施方式
本实施例是用来说明发明的,而不是对本发明做任何限制。
在实验室11辊矫直机实验平台上进行实验验证。选用Q235钢种做为矫直件材料,矫直件厚度为40mm,宽度为600mm,弹性模量为2.06E+11,泊松比为0.3,入、出口压弯量为-2.08mm/0mm。理论计算矫直力为1921.67KN,实测矫直力为1969.47KN,测量矫直力与计算值误差为2.49%。
过程如下:
(1)根据产品规格,利用公式(1)得到中性层偏移量为0.215mm,根据公式(2)求出包含中性层偏移量的矫直力计算公式F1为1466.4KN;
(2)根据公式(3,4)和公式(6,7)求出在加载过程中和卸载过程中材料的包辛格值,并根据公式(9,10,11)分别计算出在中性层偏移和包辛格效应共同作用下矫直力F2为1854.66KN。
(3)利用公式(12),按照流程图3,利用多极边界元法计算矫直力F3为2016.95KN。根据公式(13)可以求得矫直力大小。
F=α1F1+α2F2+α3F3
=0.12*1466.4+0.18*1854.66+0.7*2016.95
=1921.67KN。
Claims (1)
1.一种用多极边界元法计算辊式矫直机矫直力的方法,其特征在于实施步骤为:
<1>考虑中性层偏移的矫直力计算公式推导
对矫直件进行三维弹塑性接触摩擦分析,利用拉伸区和压缩区微元体的力学平衡关系确定中性层偏移计算公式,以几何中心层为界分为拉伸区和压缩区两部分,在拉伸区和压缩区分别取微元体dα×dρ,反弯曲率半径为ρw,公式推导结果如下:
拉伸区微元体三向主应力分别为:
ρla——拉伸区微元体恰好达到屈服极限时的曲率半径,
ρmax——压弯后矫直件上表面曲率半径,
σs——矫直件的屈服应力,
压缩区微元体三向主应力分别为:
ρmin——压弯后矫直件下表面曲率半径,
ρya——压缩区微元体恰好达到屈服极限时的曲率半径,
中性层向下偏移量为:
2h——矫直件厚度,
在考虑中性层偏移的情况下,矫直力计算公式为:
M——矫直弯矩;
b——矫直件断面宽度;
<2>考虑包辛格效应的矫直力计算公式推导
在直角坐标系下加载和卸载过程进行分析,分别给出弹性区和弹塑性区应力和矫直力的表达式,具体公式推导如下:
①加载过程:
弹性加载区:
弹塑性加载区:
σy——加载时y向应力,
E1——弹性模量,
rc——原始曲率半径,
ys'——压缩区弹塑性界面到中心层的厚度,
σs'——加载屈服应力,
A2——加工硬化系数,
2h——矫直件厚度,
②卸载过程:
弹性加载区:
弹塑性加载区:
σ*d——卸载屈服应力,
考虑包辛格效应的矫直力模型为:
①初始矫直力:
r0c——矫直件的初始曲率半径,
y0s——初始状态弹性厚度;
②弹性区矫直力:
yis——经过第i辊时钢板压缩区的弹性厚度,当压缩区在钢板中心层下方时取负,压缩区在钢板中心层上方时取正,
ric——经过第i辊时矫直件的曲率半径,
f1(εs)——杨氏模量减少量;
③弹塑性区矫直力:
f2(εs)——反向屈服应力减少量;
<3>利用自主开发的三维弹塑性多物体接触多极边界元法程序包计算矫直力
利用fortran语言开发三维弹塑性多物体接触多极边界元法程序包,用于模拟辊式矫直过程。在矫直过程中,将轧件变形视为板弯曲问题的反问题。先建立板弯曲问题的多极边界元法的边界积分方程,利用板弯曲问题的反问题求解矫直力,
设板的边界为Γ,内部区域为Ω。用w表示板中面的挠度,则板弯曲问题的控制方程可用w做变量表示为:
E——材料的弹性模量,
ν——泊松比,
F——垂直作用于板面的压力,
板的边界条件为:
在Γ1上: 在Γ2上:
βn,βs——板边界上任意点处绕法线和切线的转角,
mn,ms——板截面上的弯矩和扭矩,
q——剪力,
q=n1q1+n2q2,
边界积分方程可写为:
计算流程如下:
①将矫直辊和矫直件划分单元,将单元和节点信息以文本形式读入,并确定边界条件;
②输入增量步数据并根据接触条件进行多物体接触检查;
③定义摩擦接触约束;
④求解单元最大长度,根据单元长度分别采用指数展开和球谐函数展开求多极矩系数;
⑤利用GMRES(m)求解方程组(12),并检验是否满足精度,若满足则执行步骤(6),否则返回步骤(3)改变单元长度重新计算;
⑥计算表面应力,判断摩擦状态是否改变,若摩擦状态改变则返回步骤(4)重新计算,否则执行步骤(7);
⑦计算内点应力,判断是否发生穿透。若发生穿透则返回步骤(3),细分增量步,否则执行步骤(8);
⑧计算是否为最后增量步,是则结束计算,否则返回步骤(2)继续迭代计算;
<4>综合考虑多极边界元法计算的数值结果和第一部分推导的关于中性层偏移量和包辛格效应的计算公式,最终得到矫直力计算公式:
F=α1F1+α2F2+α3F3 (13)
α1,α2,α3——权重系数,取决于具体工况,
F1——由中性层偏移决定的矫直力,
F2——由包辛格效应决定的矫直力,
F3——由多极边界元法计算得到的矫直力。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201310722358.0A CN103678932B (zh) | 2013-12-24 | 2013-12-24 | 用多极边界元法计算辊式矫直机矫直力的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201310722358.0A CN103678932B (zh) | 2013-12-24 | 2013-12-24 | 用多极边界元法计算辊式矫直机矫直力的方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN103678932A true CN103678932A (zh) | 2014-03-26 |
CN103678932B CN103678932B (zh) | 2017-04-05 |
Family
ID=50316462
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201310722358.0A Expired - Fee Related CN103678932B (zh) | 2013-12-24 | 2013-12-24 | 用多极边界元法计算辊式矫直机矫直力的方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN103678932B (zh) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104615824A (zh) * | 2015-02-03 | 2015-05-13 | 太原科技大学 | 一种二辊矫直机凹辊辊形的设计方法 |
CN107329934A (zh) * | 2017-05-22 | 2017-11-07 | 南京航空航天大学 | 一种凸面型压头与弹性体接触的分析方法 |
CN111475896A (zh) * | 2020-04-14 | 2020-07-31 | 太原科技大学 | 一种棒材矫直应力中性层位置确定方法 |
CN114117679A (zh) * | 2021-12-03 | 2022-03-01 | 太原科技大学 | 一种厚板弯曲成形过程中中性层偏移量的计算方法 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20100298719A1 (en) * | 2007-10-31 | 2010-11-25 | Samuel Alberg Kock | Method for calculating pressures in a fluid stream through a tube section, especially a blood vessel with atherosclerotic plaque |
CN102527774A (zh) * | 2012-01-19 | 2012-07-04 | 太原科技大学 | 一种辊式矫直机压下工艺参数动态调整方法 |
CN102649131A (zh) * | 2011-02-24 | 2012-08-29 | 钢铁普蓝特克股份有限公司 | 辊式矫直机以及金属板的矫正方法 |
-
2013
- 2013-12-24 CN CN201310722358.0A patent/CN103678932B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20100298719A1 (en) * | 2007-10-31 | 2010-11-25 | Samuel Alberg Kock | Method for calculating pressures in a fluid stream through a tube section, especially a blood vessel with atherosclerotic plaque |
CN102649131A (zh) * | 2011-02-24 | 2012-08-29 | 钢铁普蓝特克股份有限公司 | 辊式矫直机以及金属板的矫正方法 |
CN102527774A (zh) * | 2012-01-19 | 2012-07-04 | 太原科技大学 | 一种辊式矫直机压下工艺参数动态调整方法 |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
宋涛等: "中厚板弯曲时应力中性层位置的求解", 《中国重型装备》 * |
桂海莲等: "多极边界元法在轧件矫直变形分析中的应用", 《重庆大学学报》 * |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104615824A (zh) * | 2015-02-03 | 2015-05-13 | 太原科技大学 | 一种二辊矫直机凹辊辊形的设计方法 |
CN104615824B (zh) * | 2015-02-03 | 2019-12-31 | 太原科技大学 | 一种二辊矫直机凹辊辊形的设计方法 |
CN107329934A (zh) * | 2017-05-22 | 2017-11-07 | 南京航空航天大学 | 一种凸面型压头与弹性体接触的分析方法 |
CN111475896A (zh) * | 2020-04-14 | 2020-07-31 | 太原科技大学 | 一种棒材矫直应力中性层位置确定方法 |
CN111475896B (zh) * | 2020-04-14 | 2023-04-21 | 太原科技大学 | 一种棒材矫直应力中性层位置确定方法 |
CN114117679A (zh) * | 2021-12-03 | 2022-03-01 | 太原科技大学 | 一种厚板弯曲成形过程中中性层偏移量的计算方法 |
CN114117679B (zh) * | 2021-12-03 | 2024-03-29 | 太原科技大学 | 一种厚板弯曲成形过程中中性层偏移量的计算方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN103678932B (zh) | 2017-04-05 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN103678932A (zh) | 用多极边界元法计算辊式矫直机矫直力的方法 | |
Mohammadi et al. | An equivalent model for trapezoidal corrugated cores based on homogenization method | |
Zhang et al. | Damage detection in plates structures based on frequency shift surface curvature | |
CN102395973A (zh) | 成形模拟方法、成形模拟装置、成形模拟程序及其记录介质 | |
CN102368277B (zh) | 一种考虑隧道应力拱效应的荷载—结构模型的建立方法 | |
CN106483845A (zh) | 一种改善矫直机力能参数预报的方法及系统 | |
CN107292046A (zh) | 一种减振降噪效果的检验方法及装置 | |
CN107300451A (zh) | 一种基于损伤梁固有频率快速估算的检测方法 | |
Petruška et al. | Novel approach to computational simulation of cross roll straightening of bars | |
CN104881576B (zh) | 轴心受压构件的弹塑性屈曲荷载的计算方法 | |
CN107423500B (zh) | 一种大跨度预应力混凝土悬臂施工桥梁主梁应力修正方法 | |
CN104668313A (zh) | 一种七辊厚板矫直机辊缝调整方法 | |
CN104636543A (zh) | 一种基于有限差分法的重型龙门铣床横梁重力变形预测方法 | |
JP7276378B2 (ja) | 金属帯の蛇行制御方法及び蛇行制御装置 | |
Kim et al. | An analytical model of roll bending steel pipe formed by three rollers | |
CN115081148A (zh) | 一种基于势能理论的加筋板等效参数确定方法 | |
Taniguchi et al. | An extended Kirchhoff–Love shell model with out-of-plane normal stress: Out-of-plane deformation | |
Zhang et al. | A unified variational method for vibration of functionally graded porous beams with variable curvature under arbitrary boundary condition | |
Desmond | THE BEHAVIOR AND STRENGTH OF THIN-WALLED COMPRESSION ELEMENTS WITH LONGITUDINAL STIFFENERS. | |
CN105117510A (zh) | 基于截面不均匀收缩效应的主梁挠曲变形预测方法 | |
CN104359765A (zh) | 测量钞票的弹性模量的方法以及最大弯曲挠度的装置 | |
US11579038B2 (en) | Method for calculating temperature-dependent mid-span vertical displacement of girder bridge | |
CN106015414B (zh) | 端部接触式少片端部加强型变截面主副簧复合刚度的验算方法 | |
Lin et al. | A Multiscale Modeling and Updating Framework for Suspension Bridges Based on Modal Frequencies and Influence Lines | |
He et al. | A numerical approach for predicting the springback of intersecting high-stiffened integral panel in spherical die forming |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170405 Termination date: 20171224 |