CN115758615A - 一种基于连铸设备有限元仿真模型的数字孪生实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于连铸设备有限元仿真模型的数字孪生实现方法，包括以下步骤：S1.传感器采集连铸设备运行数据；S2.在用于仿真的计算设备上，使用数值模拟工具对分析对象进行基础的数值计算，并建立降阶模型；S3.降阶模型与连铸设备运行数据进行交互；S4.降阶模型计算得到设备当前工况下的各类计算结果。本发明将数值仿真、IOT技术、机器学习等技术综合进行应用，通过利用现场的实时数据，借助仿真模型，实现了对设备场分布及关键数据的监控，同时通过仿真结果对设备未来的状态进行预测，更好地了解设备状态，可以发现设备的一些设计缺陷，可以为设备的优化设计提供有力的支撑，实现监测、诊断、与寿命预测的功能。
Description
技术领域
本发明涉及连铸设备的数字孪生应用技术领域，具体涉及一种基于连铸设备有限元仿真模型的数字孪生实现方法。
背景技术
随着我国钢铁行业的发展，一方面需要对落后的生产技术进行改造升级，另一方面建设大型、高效、环保节能的新型钢厂。对于连铸生产来说，涉及的机械电气设备众多、价格昂贵，生产过程复杂。利用真实的设备进行新产品、新技术的开发和维护培训，存在费时、费力、费钱的问题，并且其研究范围也受到实际设备的限制。
如授权公告号为CN101966570B，授权公告日为2012-10-10的一种连铸实体仿真系统，它包括：连接在通讯网络上的生产工艺仿真系统、设备仿真系统、产品仿真系统和生产流程控制仿真系统；其中生产工艺仿真系统用于对连铸生产工艺的仿真；设备仿真系统用于对生产涉及的机械、电气、液压设备进行仿真；产品仿真系统用于对原料、中间产品及成品的仿真；生产流程仿真系统用于对连铸生产过程的流程控制进行仿真。本发明是基于真实的连铸生产线，实现连铸生产的数字化动态仿真，可以完整地模拟连铸过程，经真实平台验证的控制技术及应用软件可直接应用于工程实践，缩短模型及应用软件开发周期，提高效率，降低开发成本。
如授权公告号为CN102156786B，授权公告日为2012-08-29的一种数字化钢厂炼钢连铸工序控件型虚拟设备的制造方法，：包括如下步骤：步骤一、配置软件开发环境：在VisualStudio2008环境下，采用基于C#的Csharpgraphicslibrary库进行开发；步骤二、构建控件型虚拟设备库的整体结构每个控件型虚拟设备作为一个设备类，所有的设备类构成一个设备库，即所有设备类集合一起打包封装到DLL文件中，仅暴露每个设备类的工艺过程的主阶段起讫时刻的时间接口；步骤三、构建控件型虚拟设备类的结构控件型虚拟设备类包括OpenGL绘制环境的初始化、窗体重绘函数、时间函数和主绘制函数；所述OpenGL绘制环境的初始化包括光照和背景色的初始化、平面光滑模式的初始化、定义正面、深度测试以及抗锯齿；所述窗体重绘函数包括视口变换、对正投影的设置，并且在以上两项设置之后，将模型视图矩阵作为当前操作矩阵，同时将该矩阵赋值为单位矩阵，为主绘制函数对模型视图矩阵的操作做好准备；所述时间函数通过一个全局变量的递增，模拟时间变量；步骤四、建立各控件型虚拟设备的模型在OpenGL中，应用三维计算机图形学，用基本图形的组合搭建各控件型虚拟设备：1）建立转炉BOF炉体的模型、模拟转炉BOF炉体内钢水液面；2）建立电弧炉EAF的模型、模拟电弧炉EAF炉体内钢水液面；3）建立LF精炼炉的模型、模拟LF精炼炉炉体内钢水液面；4）建立RH精炼炉的模型、模拟RH精炼炉炉体及真空室内钢水液面；5）建立连铸机CC的模型、模拟连铸机CC钢水；对上述每个控件型虚拟设备的模型均使用glClipPlane()函数做剖面；步骤五、描述各控件型虚拟设备的工艺流程将各控件型虚拟设备的工艺过程分成若干个主阶段，每一个主阶段分成若干个子阶段，再分别根据各控件型虚拟设备的具体特性描述其工艺流程；步骤六、制造控件型虚拟设备库将各控件型虚拟设备类，打包封装到一个动态链接库中，构成控件型虚拟设备库，仅暴露主阶段起讫时刻的参数接口；采用控件的形式进行制造，保证了整个控件型虚拟设备组与数字化钢厂低耦合，从而实现了控件型虚拟设备组使用的通用性。
如授权公告号为CN103217909B，授权公告日为2015-04-22的一种数字化钢厂设备控制仿真系统，属于炼钢连铸技术领域。包括用于将用户提供的指令转换为可被信号执行器接受的信号格式的用户指令转换器、对双向精炼炉、精炼炉、转炉、行车、RH精炼炉、回转台设备进行3D模拟，并对上述设备的外观进行拆分，赋予动作的设备逻辑控制器、用于接受用户指令或者钢厂内设备传递的实际信号，对数字钢厂中的设备信息进行修改并绘制数字钢厂的运行画面的工厂模块，用于接受用户指令转换器发出的用户指令，控制工厂管理器和设备监控器，实现实际工厂与虚拟工厂的交互及用户与虚拟工厂的交互的信号执行器。本发明采用数字化工厂方式与钢厂设备进行交互方式，通过可视化界面设计工厂布局并对其进行导入和导出，实现兼容外置设备。
，国内外针对连铸仿真的研究有一些，比如对连铸二次冷却仿真、连铸温度场仿真、连铸机动态轻压下仿真等。这些仿真对连铸技术的发展有一定意义，但存在以下不足：以前的连铸仿真往往局限于连铸生产技术的一方面，对系统的、全面的研究有所不足；以前的连铸仿真往往是针对工艺、设备仿真，缺乏生产流程控制仿真；以前的连铸仿真着重于理论研究，实用性不足，往往需要大量转换工作才能应用于工程；以前的连铸仿真没有建立虚拟连铸生产线，实现虚拟生产线与生产控制系统之间的交互，无法对产线关键设备的当前状态性能进行仿真与分析，更没有对设备的未来状态进行预测。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于连铸设备有限元仿真模型的数字孪生实现方法，以解决现有技术中的上述不足之处。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于连铸设备有限元仿真模型的数字孪生实现方法，包括以下步骤：
S1. 传感器采集连铸设备运行数据；
S2. 在用于仿真的计算设备上，使用数值模拟工具对分析对象进行基础的数值计算，并建立降阶模型；
S3. 降阶模型与连铸设备运行数据进行交互；
S4. 降阶模型计算得到设备当前工况下的各类计算结果。
进一步地，所述数值模拟工具为有限元分析软件。
进一步地，所述基础的数值计算为结构有限元计算和流体计算。
进一步地，所述连铸设备运行数据为流数、铸坯断面和拉坯速度和扇形段油缸压力值。
进一步地，所述降阶模型计算得到仿真结果的步骤如下：
①. 传感器监测连铸扇形段油缸压下压力实际值，计算出拉坯阻力与矫直反力在扇形段内弧框架与外弧框架上的分布；
②. 根据扇形段强度计算降阶模型，实时计算出当前工况下框架的应力分布与位移分布云图；
③. 降阶模型以三维的扇形段强度有限元计算模型为基础，通过参数优化设计，建立多工况的样本，通过样本计算建立训练样本与验证样本，使用机器学习的方法，得到扇形段应力场与位移场的降阶模型。
进一步地，所述有限元计算步骤包括：
Ⅰ. 将需要分析的模型进行连续的弹性体划分成有限个单元组成的离散体，并把作用力按等效原则移置到各节点上；
Ⅱ. 通过节点位移来表示单元内部任一点的位移，从而建立起节点力和节点位移之间的转换关系；
Ⅲ. 利用节点平衡方程式，在已知节点力的情况下，联系边界条件，求出节点位移，然后求得各单元应力或节点应力。
进一步地，所述降阶模型为ROM模型。
在上述技术方案中，本发明提供的一种基于连铸设备有限元仿真模型的数字孪生实现方法，本发明将数值仿真、IOT技术、机器学习等技术综合进行应用，实现了对设备当前的场分布及关键数据的监控，可以更好地了解设备状态，同时通过利用现场的实时数据，借助仿真模型，去对设备未来的状态进行预测，通过仿真结果，可以发现设备的一些涉及缺陷，可以为设备的优化涉及提供有力的支撑，实现监测、诊断、与寿命预测的功能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种基于连铸设备有限元仿真模型的数字孪生实现方法实施例提供的方法结构示意图。
图2为本发明一种基于连铸设备有限元仿真模型的数字孪生实现方法实施例提供的流程结构示意图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
如图1-2所示，本发明提供的一种基于连铸设备有限元仿真模型的数字孪生实现方法，包括以下步骤：
S1. 传感器采集连铸设备运行数据；
S2. 在用于仿真的计算设备上，使用数值模拟工具对分析对象进行基础的数值计算，并建立降阶模型；
S3. 降阶模型与连铸设备运行数据进行交互；
S4. 降阶模型计算得到设备当前工况下的各类计算结果。
进一步地，数值模拟工具为有限元分析软件。
进一步地，基础的数值计算为结构有限元计算和流体计算。
进一步地，连铸设备运行数据为流数、铸坯断面和拉坯速度和扇形段油缸压力值。
进一步地，降阶模型计算得到仿真结果的步骤如下：
①. 传感器监测连铸扇形段油缸压下压力实际值，计算出拉坯阻力与矫直反力在扇形段内弧框架与外弧框架上的分布；
②. 根据扇形段强度计算降阶模型，实时计算出当前工况下框架的应力分布与位移分布云图；
③. 降阶模型以三维的扇形段强度有限元计算模型为基础，通过参数优化设计，建立多工况的样本，通过样本计算建立训练样本与验证样本，使用机器学习的方法，得到扇形段应力场与位移场的降阶模型。
进一步地，有限元计算步骤包括：
Ⅰ. 将需要分析的模型进行连续的弹性体划分成有限个单元组成的离散体，并把作用力按等效原则移置到各节点上；
Ⅱ. 通过节点位移来表示单元内部任一点的位移，从而建立起节点力和节点位移之间的转换关系；
Ⅲ. 利用节点平衡方程式，在已知节点力的情况下，联系边界条件，求出节点位移，然后求得各单元应力或节点应力。
进一步地，降阶模型为ROM模型。
实施例1
一种基于连铸设备有限元仿真模型的数字孪生实现方法，包括以下步骤：
S1. 传感器采集连铸设备运行数据，连铸设备运行数据为流数、铸坯断面和拉坯速度和扇形段油缸压力值；
S2. 在用于仿真的计算设备上，使用数值模拟工具对分析对象进行基础的数值计算，并建立降阶模型，数值模拟工具为有限元分析软件；基础的数值计算为结构有限元计算和流体计算；降阶模型为ROM模型；
有限元计算步骤包括：
Ⅰ. 将需要分析的模型进行连续的弹性体划分成有限个单元组成的离散体，并把作用力按等效原则移置到各节点上；
Ⅱ. 通过节点位移来表示单元内部任一点的位移，从而建立起节点力和节点位移之间的转换关系；
Ⅲ. 利用节点平衡方程式，在已知节点力的情况下，联系边界条件，求出节点位移，然后求得各单元应力或节点应力。
S3. 降阶模型与连铸设备运行数据进行交互；
S4. 降阶模型计算得到设备当前工况下的各类计算结果。
降阶模型计算得到仿真结果的步骤如下：
①. 传感器监测连铸扇形段油缸压下压力实际值，计算出拉坯阻力与矫直反力在扇形段内弧框架与外弧框架上的分布；
②. 根据扇形段强度计算降阶模型，实时计算出当前工况下框架的应力分布与位移分布云图；
③. 降阶模型以三维的扇形段强度有限元计算模型为基础，通过参数优化设计，建立多工况的样本，通过样本计算建立训练样本与验证样本，使用机器学习的方法，得到扇形段应力场与位移场的降阶模型。
实施例2
一种基于连铸设备有限元仿真模型的数字孪生实现方法，包括以下步骤：
S1. 传感器采集连铸设备运行数据；
S2. 在用于仿真的计算设备上，使用数值模拟工具对分析对象进行基础的数值计算，并建立降阶模型；
S3. 降阶模型与连铸设备运行数据进行交互；
S4.降阶模型计算得到设备当前工况下的各类计算结果。
其中，数值模拟工具为有限元分析软件；基础的数值计算为结构有限元计算和流体计算；连铸设备运行数据为流数、铸坯断面和拉坯速度和扇形段油缸压力值；降阶模型计算得到仿真结果的步骤如下：
①. 传感器监测连铸扇形段油缸压下压力实际值，计算出拉坯阻力与矫直反力在扇形段内弧框架与外弧框架上的分布；
②. 根据扇形段强度计算降阶模型，实时计算出当前工况下框架的应力分布与位移分布云图；
③. 降阶模型以三维的扇形段强度有限元计算模型为基础，通过参数优化设计，建立多工况的样本，通过样本计算建立训练样本与验证样本，使用机器学习的方法，得到扇形段应力场与位移场的降阶模型。
有限元计算步骤包括：
Ⅰ. 将需要分析的模型进行连续的弹性体划分成有限个单元组成的离散体，并把作用力按等效原则移置到各节点上；
Ⅱ. 通过节点位移来表示单元内部任一点的位移，从而建立起节点力和节点位移之间的转换关系；
Ⅲ. 利用节点平衡方程式，在已知节点力的情况下，联系边界条件，求出节点位移，然后求得各单元应力或节点应力。
降阶模型为ROM模型：
降阶模型的内容和计算内容：以ROM（ReducedOrderMethod）降阶模型技术为核心的一维仿真方法。ROM的核心思想为应用LTI、SVD和DOE等方法将三维和二维有限元模型降阶为一维数字样机模型，降阶的过程中考虑非线性因素对结果造成的影响，并采用机器学习等方法进行结果的内插与外推。
交互的步骤：传感器采集到的设备运行数据，传递给ROM降阶模型，降阶模型进行快速计算，得到仿真计算结果，用于工程人员对设备的运行状态进行监测，并可以辅助工程人员对设备运行进行调整。
各类计算结果和监测、诊断与寿命预测之间的对应关系：
通过ROM模型的实时计算，可以得到分析对象当前工况下的应力分布、位移分布等等，可以让工程人员了解到设备当前状态下的力学响应，对其应力分布进行监测。也可以通过ROM模型，进行疲劳寿命的计算，辅助工程人员对分析对象的疲劳寿命进行预测，实现对象的预测性维护。
步骤1：通过传感器监测连铸扇形段油缸压下压力实际值，进而计算出拉坯阻力与矫直反力在扇形段内弧框架与外弧框架上的分布。
步骤2：根据扇形段强度计算ROM模型，实时计算出当前工况下框架的应力分布与位移分布云图。
当前这个ROM模型是以三维的扇形段强度有限元计算模型为基础，通过参数优化设计，建立多工况的样本，通过样本计算建立训练样本与验证样本，使用机器学习的方法，建立了一个能够快速得到扇形段应力场与位移场的ROM模型。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。
Claims (7)
1.一种基于连铸设备有限元仿真模型的数字孪生实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1. 传感器采集连铸设备运行数据；
S2. 在用于仿真的计算设备上，使用数值模拟工具对分析对象进行基础的数值计算，并建立降阶模型；
S3. 降阶模型与连铸设备运行数据进行交互；
S4. 降阶模型计算得到设备当前工况下的各类计算结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于连铸设备有限元仿真模型的数字孪生实现方法，其特征在于，所述数值模拟工具为有限元分析软件。
3.根据权利要求1所述的一种基于连铸设备有限元仿真模型的数字孪生实现方法，其特征在于，所述基础的数值计算为结构有限元计算和流体计算。
4.根据权利要求1所述的一种基于连铸设备有限元仿真模型的数字孪生实现方法，其特征在于，所述连铸设备运行数据为流数、铸坯断面和拉坯速度和扇形段油缸压力值。
5.根据权利要求1所述的一种基于连铸设备有限元仿真模型的数字孪生实现方法，其特征在于，所述降阶模型计算得到仿真结果的步骤如下：
①. 传感器监测连铸扇形段油缸压下压力实际值，计算出拉坯阻力与矫直反力在扇形段内弧框架与外弧框架上的分布；
②. 根据扇形段强度计算降阶模型，实时计算出当前工况下框架的应力分布与位移分布云图；
③. 降阶模型以三维的扇形段强度有限元计算模型为基础，通过参数优化设计，建立多工况的样本，通过样本计算建立训练样本与验证样本，使用机器学习的方法，得到扇形段应力场与位移场的降阶模型。
6.根据权利要求3所述的一种基于连铸设备有限元仿真模型的数字孪生实现方法，其特征在于，所述有限元计算步骤包括：
Ⅰ. 将需要分析的模型进行连续的弹性体划分成有限个单元组成的离散体，并把作用力按等效原则移置到各节点上；
Ⅱ. 通过节点位移来表示单元内部任一点的位移，从而建立起节点力和节点位移之间的转换关系；
Ⅲ. 利用节点平衡方程式，在已知节点力的情况下，联系边界条件，求出节点位移，然后求得各单元应力或节点应力。
7.根据权利要求1所述的一种基于连铸设备有限元仿真模型的数字孪生实现方法，其特征在于，所述降阶模型为ROM模型。
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Also Published As
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