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定模动辊机电系统动力学分析

机械工程学报 2021年第17期57卷 163-172页

作者：阳振峰李强管延智陈晓宇朱越坤李傲然北方工业大学机械与材料工程学院北京100144 北京市变截面辊弯成形工程技术研究中心北京100144

动力学分析对定模动辊成形装备的设计具有重要意义。论文基于能量原理,针对驱动电动机、传动机构、模具-轧辊系统与成形高强钢板材组成的机电系统,提出一种包含电磁场、机构驱动力场及高强钢板连续塑性变形过程动态能量场耦合机电系统... 详细信息

动力学分析对定模动辊成形装备的设计具有重要意义。论文基于能量原理,针对驱动电动机、传动机构、模具-轧辊系统与成形高强钢板材组成的机电系统,提出一种包含电磁场、机构驱动力场及高强钢板连续塑性变形过程动态能量场耦合机电系统动力学分析新方法。通过推导系统各部分能量数学表达的理论研究,获得定模动辊机电系统动力学方程。采用有限元法获取定模动辊成形过程中的反力矩,以此作为载荷并用Runge-Kutta法求解系统微分方程,揭示了驱动电动机、传动机构、模具-轧辊系统与先进高强钢板材变形组成的系统运动机理,全方位展示装备动特性规律,求得各轴载荷及电动机驱动力矩等系统性能参数,实现先进高强钢变截面定模动辊成形工况匹配设计与精确运动控制。设计的定模动辊成形机与分析结果进行了可行性实验验证。

关键词：定模动辊能量原理机电系统动力学分析

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多道次定模动辊机电系统动力学智能优化方法

多道次定模动辊机电系统动力学智能优化方法

作者：王鹏远北方工业大学

学位级别：硕士

定模动辊变截面辊弯成型装备是对板材进行变截面渐进成型加工的复杂机电设备。加工出的成品具有种类多且载荷性能优良的特点,因而有着广泛应用前景。因此,对五道次定模动辊变截面辊弯成型机的加速度展开优化分析,减小加速度峰值,提高设... 详细信息

定模动辊变截面辊弯成型装备是对板材进行变截面渐进成型加工的复杂机电设备。加工出的成品具有种类多且载荷性能优良的特点,因而有着广泛应用前景。因此,对五道次定模动辊变截面辊弯成型机的加速度展开优化分析,减小加速度峰值,提高设备运行的稳定性,对提高产品质量具有重要意义。本文利用强化学习智能优化方法,对定模动辊成型机进行优化。首先基于能量守恒原理,通过计算定模动辊机电系统中势能、动能、电场能、磁能、机械损耗能、电磁损耗能,获得定模动辊动力学微分方程。根据定模动辊动力学方程,确定优化目标函数以及待优化参数。最后将定模动辊机电系统动力学方程组定义为环境、待优化参数定义为动作、加速度绝对值峰值定义为状态、根据优化目标函数得到奖励函数,建立定模动辊机电系统动力学强化学习模型。针对机电系统动力学优化这类高维、连续动作空间的优化问题,本文采用DDPG算法对定模动辊动力学模型进行优化分析。按照DDPG算法进行优化,算法获得局部优化结果。因此对DDPG算法进行改进:1.只将奖励值大于0的数据存入经验池。2.动作扰动采用动态减小方法。通过这两点改进,改进后的DDPG算法得到的加速度峰值比未优化时下降了约28.13%。同时为了验证强化学习方法在机电系统动力学优化领域的应用效果,本文又以PSO优化算法与改进DDPG算法的优化结果进行对比,二者优化后的加速度峰值之差小于1%。这表明强化学习完全可用于机电系统动力学优化领域,而且有着良好的效果。论文研究不仅为五道次定模动辊变截面辊弯成型机的大批量工业生产应用提供理论依据,也为机电系统动力学优化提供新的方法。

关键词：强化学习动力学优化深度确定性策略梯度定模动辊机电系统

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定模动辊变截面辊弯成形有限元分析

塑性工程学报 2015年第4期22卷 44-48页

作者：高一鑫李强管延智阳振峰王时北方工业大学机械与材料工程学院北京100144

基于ABAQUS/Explicit显示动力模块对DP980高强钢定模动辊变截面辊弯成形建立有限元模型,分析板材成形后的等效应力、等效塑性应变及截面厚度的分布特点,并进行安全校核。获得了轧辊成形力与板材的回弹量,为轧辊设计提供了依据。通过实... 详细信息

基于ABAQUS/Explicit显示动力模块对DP980高强钢定模动辊变截面辊弯成形建立有限元模型,分析板材成形后的等效应力、等效塑性应变及截面厚度的分布特点,并进行安全校核。获得了轧辊成形力与板材的回弹量,为轧辊设计提供了依据。通过实验验证了定模动辊变截面辊弯成形工艺的可行性及有限元分析结果的可靠性。

关键词：变截面辊弯成形定模动辊高强钢有限元分析

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定模动辊装备系统动力学优化

定模动辊装备系统动力学优化

作者：李傲然北方工业大学

学位级别：硕士

定模动辊变截面辊弯成形生产线是一种先进的渐进成形装备。它的出现为高强钢变截面杆类构件制造提供了渐进成形方法。变截面构件以其良好的产品结构载荷综合性能受到行业关注。因此,定模动辊变截面辊弯成形装备动态性能的研究也值得重... 详细信息

定模动辊变截面辊弯成形生产线是一种先进的渐进成形装备。它的出现为高强钢变截面杆类构件制造提供了渐进成形方法。变截面构件以其良好的产品结构载荷综合性能受到行业关注。因此,定模动辊变截面辊弯成形装备动态性能的研究也值得重视。本课题基于多道次定模动辊装备系统的成形过程开展动力学优化的研究,以期获得定模动辊装备系统性能最优设计参数,提高定模动辊装备动力学性能,提高构件制造精度。本文以分析多道次定模动辊变截面辊弯成形机的结构以及运动机理入题,结合已经建立的定模动辊装备系统动力学模型,开展针对装备系统动态参数数值求解的研究。为求解高耦合、多参数复杂机电系统微分方程组,分析了适用于求解该方程的数值算法,并选用4阶Runge-kutta法通过计算机数值软件MATLAB进行编程求解,同时以QP980板材的成形过程为实验对象进行成形实验,最后将数值求解结果与实验结果进行比对分析,验证了计算结果的正确性。为获得定模动辊装备系统的成形过程动态特性优化参数,采用群体智能优化算法对该装备机电系统参数进行优化设计。为提高效率,对标准的量子粒子群优化算法提出了两种改进策略,分别为基于改变粒子势阱方程的异步寻优策略与基于距离权重系数动态改变粒子收缩扩张系数策略,改进后通过三个典型的测试函数对算法性能进行测试,验证了算法改进的有效性。对定模变截面辊弯成形机的制造过程进行动力学优化,提出以X向运动动态响应加速度最大绝对值为目标函数,选择改进后的量子粒子群优化算法进行动力学优化,获得了五个道次的定模动辊装备系统的性能参数的最优结果。优化后机架X向运动过程的加速度最大值减少了23%,定模动辊装备系统的稳定性显著提高,同时也证明了本文所设计的定模动辊机电系统动力学优化方法可行,能够为装备研发提供理论依据,所得结果具有工程应用价值。

关键词：定模动辊数值求解量子粒子群优化算法动力学优化

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定模动辊变截面辊弯成形过程有限元分析

定模动辊变截面辊弯成形过程有限元分析

作者：高一鑫北方工业大学

学位级别：硕士

定模动辊变截面辊弯成形是一种全新的塑性成形工艺,它采用成形过程中压模压紧板材不动而轧辊运动进给,并且轧辊与压模配合对板材成形的方式。变截面辊弯成形适应节能减排理念,顺应汽车轻量化的需求,其产品广泛应用于汽车以及航天航空等... 详细信息

定模动辊变截面辊弯成形是一种全新的塑性成形工艺,它采用成形过程中压模压紧板材不动而轧辊运动进给,并且轧辊与压模配合对板材成形的方式。变截面辊弯成形适应节能减排理念,顺应汽车轻量化的需求,其产品广泛应用于汽车以及航天航空等领域。定模动辊变截面辊弯成形过程是极其复杂的高度非线性的变形过程。而其成形的理论并不完备,还无法在设计初期确定结构设计以及工艺规划是否完全合理。本文采用有限元方法对成形过程进行数值仿真,来研究定模动辊变截面辊弯成形的成形机理。本文分析了定模动辊变截面辊弯成形过程的弹塑性本构关系包括材料弹性阶段的胡克定律、屈服准则以及强化准则等。研究了大变形几何非线性情况下应力应变的选取,接触分析时采用罚函数算法,获得了系统的非线性有限元平衡方程,完成对模型的理论描述。定模动辊变截面辊弯过程为准静态过程,采用显式积分法中的中心差分方法,通过递推格式求解系统的有限元方程。通过单向拉伸实验获得DP980高强钢和TRIP590高强钢的基本力学性能,获得材料的真实应力和塑性应变的关系,并且得到DP980材料各向异性Hill48屈服准则的相关参数,作为构建有限元模型的材料属性。针对汽车B柱加强板基于大型有限元软件Hypermesh以及ABAQUS/CAE对定模动辊变截面辊弯成形创建高质量有限元模型。基于显示动力算法,采用ABAQUS/Explicit求解器对定模动辊变截面辊弯过程做全流程的有限元仿真。获得板材等效应力、等效塑性应变、截面厚度的分布规律,掌握了DP980板材成形的机理,得到轧辊成形力的变化规律,预测了板料截面回弹的情况。对比采用Mises屈服准则与H11148屈服准则的模型的仿真结果的差别,得到屈服准则对成形结果的作用。研究了不同道次间距对板材成形的作用规律。通过比较采用DP980和TRIP590两种材料模型仿真结果,获得材料强度对成形效果,成形力以及回弹的影响。通过课题组开发的定模动辊变截面辊弯成形机组做B柱加强板的成形试验,通过实验件验证定模动辊变截面辊弯过程有限元分析的有效性。

关键词：高强度钢有限元定模动辊辊弯成形变截面

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考虑成形力的定模动辊机电系统动力学分析

考虑成形力的定模动辊机电系统动力学分析

作者：朱越坤北方工业大学

学位级别：硕士

应力适应型构件是当今制造业领域的新需求,其加工制造方法是工程技术领域的难题。定模动辊变截面辊模成形技术为其提供了解决方法,为了掌握系统各部分的动特性规律,提供系统设计的理论依据,论文针对变高度定模动辊生产线中第一个道次的... 详细信息

应力适应型构件是当今制造业领域的新需求,其加工制造方法是工程技术领域的难题。定模动辊变截面辊模成形技术为其提供了解决方法,为了掌握系统各部分的动特性规律,提供系统设计的理论依据,论文针对变高度定模动辊生产线中第一个道次的成形过程,开展理论研究,对.其进行系统动力学分析。在对定模动辊变高度辊模成形原理进行充分了解的基础上,选取便于进行能量表达的第一道次作为本课题研究的耦合机电系统,并对系统进行合理的简化和近似。提出一种基于能量原理的机电系统动力学分析新方法,通过理论分析和数学推导,建立该方法的数学模型。将这一方法应用到耦联机电系统中,对系统中各部分产生的能量进行分析,建立各部分能量的数学表达,包括系统中增加的势能和动能、能量损耗、板料发生塑性变形做的功、系统中电磁力做的功等,根据能量转化关系建立能量方程。在方程推导和化简过程中,借鉴Clark变换和Park变换,推导出相应的坐标变换矩阵。将变量参数从自然坐标系变换到交直轴坐标系,消除了电压、电流、电阻等变量的矩阵表达形式,实现了线性运算。应用塑性成形的力学理论,对板料变形过程中截面几何形状的改变进行分析,推导出材料流动的速度场和应变速度场,从而得到板料的塑性变形功。应用能量回路原理建立伺服电机的能量回路方程,通过联立能量守恒方程建立动力学微分方程组,完成该耦联机电系统的动力学分析。从成形过程的有限元仿真中提取第一道次轧辊的反作用力矩作为方程中成形力矩的数值。应用数值解法龙格库塔法,在MATLAB中对方程组进行求解,得到各个电机所需的驱动电流、各电机主轴速度、加速度等运动特性参数。求解得到的速度、位移图像符合运动规律,各部分之间的速度关系符合机构运动原理,电流大小受外负载成形力矩大小影响,且符合三相电流频率大小由电机主轴转速决定的规律,结果较为理想,为进一步的理论研究提供了基础。

关键词：定模动辊能量原理机电系统动力学分析

考虑成形力的单道次定模动辊机电系统动力学优化

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考虑成形力的单道次定模动辊机电系统动力学优化

作者：陈卓北方工业大学

学位级别：硕士

定模动辊变截面成形机在板料加工过程中的振动和冲击,对加工零件的成形质量产生直接的影响。为了提高加工精度,对定模动辊变截面成形机进行系统动力学优化十分必要。针对这一问题,本课题以定模动辊变截面辊弯成形机第一道次为研究对象,... 详细信息

定模动辊变截面成形机在板料加工过程中的振动和冲击,对加工零件的成形质量产生直接的影响。为了提高加工精度,对定模动辊变截面成形机进行系统动力学优化十分必要。针对这一问题,本课题以定模动辊变截面辊弯成形机第一道次为研究对象,分析第一道次加工过程中动力学特性,确定需要改善的系统性能指标,并采用改良后的量子粒子群优化算法对该机电系统进行动力学优化。首先对机械结构整体进行研究。分析各部分运动的组成,并基于能量原理建立第一道次定模动辊变截面成形能量守恒方程。通过对当前实验样机进行动力学分析,判断实验样机需要优化的运动性能,确定以大机架沿向运动加速度最大值为优化对象。然后选择量子粒子群优化算法对定模动辊变截面成形机电系统进行动力学优化,针对优化过程中存在的算法容易过早收敛到局部最优解的问题进行改进,并对改进后的算法搜索性能分析验证。最后使用改良后的量子粒子群优化算法实现对研究对象再一次优化,获得经过优化的定模动辊变截面成形机电系统运动图像。通过优化前后加速度图像对比,优化后大机架沿向运动过程中加速度最大值显著减小并在前时间内加速度变化更加平稳,证明了通过机电系统动力学优化后,变高度定模动辊变截面成形机的机电系统动态性能显著提升。

关键词：定模动辊机电系统量子粒子群算法动力学优化

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激光辅助定模动辊辊弯成型有限元分析

激光辅助定模动辊辊弯成型有限元分析

作者：王时北方工业大学

学位级别：硕士

变截面辊弯成型是一种新兴的材料塑型加工工艺,这种工艺能够解决材料截面复杂多变,板料两侧高度不对称等传统辊弯成型难以实现的加工问题。在一些特殊场合需要用到截面较窄或者截面形状非常复杂的承载零部件,普通的变截面辊弯成型无法... 详细信息

变截面辊弯成型是一种新兴的材料塑型加工工艺,这种工艺能够解决材料截面复杂多变,板料两侧高度不对称等传统辊弯成型难以实现的加工问题。在一些特殊场合需要用到截面较窄或者截面形状非常复杂的承载零部件,普通的变截面辊弯成型无法完成一次成型,本文提出一种能够一次加工成型的加工工艺,采用该种工艺能成型强度较高,成型半径较小的弯曲件：定模动辊变截面辊弯成型。由于高强钢板强度高、塑性差、材料的延伸率较低,导致加工成型困难,容易在折弯处产生裂纹或材料回弹较大等问题。本文采用激光辅助加热成型的方案来解决上述问题。本文基于热-应力完全耦合的分析方法,在大型有限元分析软件ABAQUS中,构建了激光辅助的定模动辊辊弯成型装备成型过程。以DP980高强度钢板为研究对象,仿真模拟了成型过程中板料的温度场、应力场的分布,分析了板料塑性应变区域及轧辊成型力的变化,并对比成型角度的关系对成型过程中的材料回弹进行了预测。主要研究工作如下：(1)温度场方面：介绍了热成型研究历程及发展现状,分析了热成型方法,实现了热导率、比热容等热学关键参数的导入,运用传热学及壳体温度场分布设置了板料及上下模具相互耦合的边界条件。通过对比不同温度场仿真过程得出最适宜加工温度。(2)应力场方面：导入了仿真模拟的力学关键参数,如屈服应力、弹性模量、塑性应变等。分析了等效应力及等效塑性应变,并得到各道次轧辊成型力变化曲线,掌握了成型过程中弹塑性变化的规律。(3)成型速度及回弹预测方面：分析成型后板料的成形角,预测加工过程中可能产生的回弹,以及比较仿真速度及模拟结果,得到成型效果与加工速度的关系。通过完全的热力耦合有限元方法仿真模拟了激光辅助的定模动辊辊弯成型生产过程,与试验结果进行比对,发现仿真分析结果正确,对回弹和产生的缺陷进行了预测,并得到了适合加工的温度为600℃,适合加工的速度为50mm/s,适合加工的加热方式为均匀激光加热,加热的最佳位置为板料成型区域。该结果的提出对于激光辅助加热的定模动辊辊弯成型的热力耦合分析过程提供了理论基础,并对该设备的改进以及生产实践具有很重要的意义。

关键词：定模动辊激光辅助加热高强度钢板热力耦合热传导有限元仿真

基于有限元分析的变高度定模动辊辊弯成形工艺研究

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基于有限元分析的变高度定模动辊辊弯成形工艺研究

作者：陈静北方工业大学

学位级别：硕士

变高度定模动辊辊弯成形工艺是一种混合辊弯成形与模具成形的新型板料塑性成形工艺,它是将固定的成形模具和可动的轧辊相结合,并采用伺服电机驱动轧辊运动的方式来成形变截面零件。本文采用有限元动力学显示算法对变高度定模动辊辊弯成... 详细信息

变高度定模动辊辊弯成形工艺是一种混合辊弯成形与模具成形的新型板料塑性成形工艺,它是将固定的成形模具和可动的轧辊相结合,并采用伺服电机驱动轧辊运动的方式来成形变截面零件。本文采用有限元动力学显示算法对变高度定模动辊辊弯成形工艺进行研究,采用ABAQUS/Explicit求解器进行全流程双精度的有限元仿真。通过从仿真结果中提取板料的等效应力值、等效塑性应变值、截面厚度分析等分布规律,掌握了DP980板材成形的规律,得到了轧辊成形力的变化规律并预测了板料成形后截面回弹情况。本论文通过对比不同道次间距,不同释放间隙,有无辅助轧辊等28种仿真模型,对比仿真完成后板料成形效果、轧辊成形力以及冗余变形,确定了变高度定模动辊辊弯成形工艺的可行性及最佳成形工艺方案,为变高度定模动辊辊弯成形机的研制提供了可靠理论依据及优化方案。模型设置如下所示：1).通过对比320mm、380mm、440mm、500mm、560mm的5种道次间距的模型,仿真后对比成形结果发现：存在最优道次间距,并确定了成形效果接近最优的3种道次间距;2).通过对比0、0.05mm、0.1mm、0.15mm的4种板料与轧辊的单侧释放间隙模型,分别对应3种道次间距设置12种模型,仿真结果对比发现合适的释放间隙可降低轧辊成形力,并为后续仿真选出3组优秀模型。3).为模型设置6道次辅助辊,通过对比选出的优秀模型有与无辅助轧辊6组模型,对比仿真结果发现辅助轧辊的加入有助于改善板料成形过程中形成的纵弯;本文通过对变高度定模动辊辊弯成形工艺的成型工艺及板料变形规律进行了全面深入的研究,确定了该工艺的可行性,为变高度定模动辊成形机的研发提供了可靠的理论依据和优化方案。

关键词：高强度钢有限元分析定模动辊变截面工艺分析