排辊成形工艺参数化设计系统集成开发技术_高宇飞

第 35 卷 第 2 期 Vo l1 35 No1 2 FORGING & STAMPING TECHNOLOGY 2010 年 4 月 Apr. 2010 排辊成形工艺参数化设计系统集成开发技术 高宇飞, 蒋劲茂, 李大永, 彭颖红 (上海交通大学 机械与动力工程学院, 上海 200240) 摘要: 排辊成形是利用若干组小排辊将带钢续弯卷成管筒的一种辊式成形工艺, 是制造焊管的重要加工技术。现代 的排辊成形工艺设计涉及到 CAD, CAE 和知识管理等多个方面的技术, 技术平台的集成至关重要。本文以 Visual Basic为开发平台, 利用 Visual Basic 与 ACCESS 数据库、M AT LAB 与 ANSYS 的接口技术, 将参数设计、有限元 模拟和知识管理集成, 开发了直缝焊管排辊成形工艺设计系统。通过该系统可以实现直缝焊管排辊成形过程的工 艺参数管理、机组的轧辊设计、花型设计、工艺参数设计以及 CAD/ CAE 建模仿真。该平台可以为工程人员进行 直缝焊管工艺设计提供重要参考。 关键词: 排辊成形; 工艺设计; 接口技术; 集成开发 DOI: 101 3969/ j1 issn1 1000-39401 20101 021 037 中图分类号: TP391 文献标识码: A 文章编号: 1000-3940 (2010) 02-0148-06 Integrated development technology of parametric design system for cage roll forming process GAO Yu-fei, JIANG Jin-mao, LI Da-yong, PENG Ying-hong ( School of Mechanical Eng ineering , Shanghai Jiaot ong Univ ersity , Shanghai 200240, China) Abstract: The cage r oll form ing is a kind of forming processes that a steel strip is bended into round shape by a number of forming cage ro lls. It is an impor tant pr ocessing techno log y for manufacturing pipes. The advanced process design technolog y fo r a cage ro ll forming process invo lv es CAD, CAE and data management, so t he integr ation o f differ ent platforms is very impor tant . A parametr ic design system for the cage roll fo rming pro cess was established based on VB. T hrough the interface techno log y of VB to ANSYS, MATLAB and ACCESS database, the parameter design, f-i nite element simulat ion and database w ere integ rated, then a process design system was developed. T his system can manage the parameter s for t he whole r oll fo rming pro cess, design new ro lls, flow er patterns, determine fo rming pa- rameters, and realize automat ic CAD/ CAE modeling and simulation. This platfo rm can provide an impor tant guide fo r eng ineer s in pipe manuf actur ing pro cess. Keywords: roll fo rming ; pro cess design; inter face technolo gy ; integ rated development 收稿日期: 2009-11- 03; 修订日期: 2009-12-30 基金项目: 国家自然基金资助项目 ( 50634010, 50821003 ) ; 上 海市科委资助项目 ( 09JC1407000) ; 教育部新世纪优秀人才计划 资助项目 ( NCET-07- 0545) 作者简介: 高宇飞 ( 1985- ) , 男, 硕士研究生 电子信箱: goofy1985@ sjtu1 edu1 cn 随着我国油气管道建设进程的加快, 焊管在国 民生产中的应用越来越广泛。ERW 高频直缝焊管 具有生产效率高、综合成材率高、表面成形质量好 等优点。据统计, 直缝焊管占焊管生产总数量的 80%以上[ 1] 。排辊成形也叫笼式成形, 是利用若干 组小排辊将带钢续弯卷成管筒的一种辊式成形工艺。 如图 1所示, 在焊管坯的连续排辊成形过程中, 从 前至后依次经过弯边、预成形、线成形以及精成形 段等道次, 在精成形道次前采用一组或多组位置可 调的小辊机架使板带按照所设计的花型变成管筒。 直缝焊管生产过程相当复杂, 轧辊数量多达上百个, 成形质量不易控制。传统焊管生产设计过程采用试 错法, 设计周期长, 产品质量难以有效控制[ 2] 。 图 1 直缝焊管机组示意 Fig1 1 ERW roll forming unit 近些年, 随着现代计算方法和计算工具的飞速 发展, CAD、CAE 和数据库技术在 ERW 焊管工艺 设计和 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 中得到应用, 对直缝焊管的成形过程进 行设计分析, 可以有效的控制和提高焊管质量。 当前, 国内外有一些焊管成形的 CAD 系统。 其中, 包括有德国 DATA M 公司的 COPRA 系统、 德国 UBECO 公司的 PROFIL 系统、澳大利亚的 CADROF 系统以及英国的 OR2TIC 系统等。国内 的上海钢铁工艺研究所、武汉钢铁设计研究院、东 北大学、北京冶金设备研究院、燕山大学开展了计 算机辅助设计技术在辊弯成形中的应用研究, 已经 开发出多套辊弯 CAD系统, 并且得到应用 [ 3]。 由于数值计算方法和计算机技术的发展, 可以 通过有限元模拟对焊管成形过程进行分析。辊弯成 形CAE的计算平台软件主要有LS-DYNA, ABAQUS, ANSYS, MARC等。Walke利用 ABAQUS 对直缝焊 管成形的应变进行了分析[ 4] 。李大永、蒋劲茂等人 结合实验, 利用 ANSYS/ LS-DYNA 仿真分析, 得 到直缝焊管成形过程板带变形规律。王仕杰、吴云 卿等人利用 MARC 对直缝焊管的排辊成形过程模 拟, 获得了板带各截面形状和板带应变场分布 [ 5]。 于凤琴、李云江等人根据实验结果以及板带在直缝 焊管成形过程中多点接触的实际情况, 建立了轧辊 与板带之间的压力分布数学模型, 计算出轧辊与板 带接触压力曲线 [ 6]。 焊管成形工艺设计是一个集成性的开发过程, 而各类平台的相对独立性与这种集成性之间的矛盾 制约着产品开发的高质量、短周期、低成本的要求。 本文以焊管排辊成形工艺设计为目标, 以 VB 为开 发平台, 通过 VB 与 A CESSS 数据库、MA TLAB 和AN SYS 的接口技术, 建立集成 CAD, CAE和知 识库的工艺设计系统。将以往排辊成形的设计经验 知识和工艺参数收集整理, 建立知识库; 根据轧辊 成形道次和变形工艺, 实现轧辊、花型和工艺参数 的设计, 最后将精确数值模拟技术和轧辊设计技术 充分结合起来[ 4] , 实现虚拟成形。 1 系统架构 按照直缝焊管的工艺设计过程, 直缝焊管排辊 成形工艺设计系统采用面向数据流的结构化设计思 路, 建立模块化架构。系统包含以下几个功能模块: 数据管理、用户管理、轧辊设计、花型设计、成形 工艺参数设计、CAD/ CAE 自动化建模仿真。 首先根据工程人员的设计需求, 输入初始的设 计参数 (焊管外径等) , 然后调用轧辊设计和花型设 计, 计算得到辊型参数和花型参数 (花型是不同道次 板带或者是轧辊的截面几何形状, 和板带中心线在高 度方向上的变化) , 将计算得到的辊型参数和花型参 数传递给成形工艺参数模块, 进行各个道次的辊位参 数设计 (成形工艺参数是轧辊在空间的相对位置) ; 之后, 可以将设计得到的辊型参数和辊位参数保存到 参数管理系统中; 最后通过 CAD/ CAE自动化建模仿 真系统进行有限元模拟, 通过模拟验证设计参数的可 靠性。如果模拟结果显示焊管成形质量不合理, 则输 出记录, 重新进行设计。如果模拟结果显示焊管成形 质量合理, 则说明所设计的工艺 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 合理, 可以输出 设计参数, 指导实际生产, 如图 2所示。 图 2 系统整体架构 Fig1 2 Whole f ram ew ork of system 2 接口技术 基于以上系统整体架构, 利用 Visual Basic 搭 建可视化界面的平台。Visual Basic拥有图形用户界 面 ( GU I) 和快速应用程序开发 ( RAD) 系统, 可 以轻易连接数据库, 方便工程人员的可视化操作。 利用 ACCESS 数据库对大量的成形工艺参数进行管 理, 利用 MA TLAB程序进行成形过程中所必须的 轧辊设计、花型设计和成形工艺参数设计, 利用 AN SYS/ LS-DYNA 进行 CAD/ CAM 建模仿真。这 样, 将精确数值计算模拟技术和轧辊、花型、工艺 参数设计结合, 可以保证计算精度, 减少系统设计 时间, 如图 3 所示。因此, 上述软件与 VB 之间的 149第 2 期 高宇飞等: 排辊成形工艺参数化设计系统集成开发技术 接口技术, 是本系统开发中的关键技术。 图 3 接口技术 Fig1 3 Interface tech nology 21 1 VB与 ACCESS数据库的连接 如前文所述, 系统数据的开发平台是 VB, 数 据管理是在 ACCESS数据中进行, 两者的关联则是 通过 SQL 数据库语言来实现的。VB61 0 对 A C- CESS数据库的访问有 3 种方法: ActiveX 数据对 象、远程数 据 对 象 ( RDO )、数 据 访问 对 象 ( DAO)。系统采用 ADO 方法, A DO DAT A 控件 通过 Act iv eX数据对象 ( A DO) 来建立数据源的连 接, 凡是符合 OLE DB 规范的数据源都能连接, ADO DA TA 控件通过设置 Connect ionString 和 Re- cord-Source属性实现对数据源的连接。它是 DAO/ RDO 的后继产物, 扩展了 DAO 和 RDO 所使用的 对象模型, 可以完成几乎所有的访问更新数源的操 作, 具有更加简单灵活的操作性能 [ 7]。 在连接数据库前, 首先需要建立一个 ACCESS 数据库base1mdb, 数据库中建立 2个表 qs, 用户和 material, 其中 / qs0 表用来存储、调用、查询各种 参数, / material0 表是用来管理建模材料库的。完 成上述准备工作后即可进行 VB 和数据库的连接。 主要代码如下: Dim conn As New ADODB1 Connection Dim r s As New ADODB1 Reco rdset conn1Open " Provider = M icrosoft1 Jet1 OLEDB1 41 0; Data Source= " + App1 Path & " \ base1 mdb" + "; Per sist Secur-i ty Info= False" rs1 Curso rType = adOpenKey set rs1 LockType = adLockOptimistic rs1Open " select * fr om qs", conn 打开数据库后, 新增数据的语句为: rs1AddNew。 对于数据库操作部分则是用 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 SQL 语言实现 的, 这样可以保证算法的可移植性。例如, 数据排 序的语句为: yx sql = " select * fr om qs o rder by " & Combo11 T ex t & " desc" 数据删除的语句为: yx sql = " delete from qs w here 编号= " & Gr id11 Cell ( hang , 78) 1 Text 数据查询的语句为: yxsql = " select * from qs w here " & Grid21 Cell ( 1, 2) 1 Text & Grid21 Cell( 1, 3) 1 Tex t & "c" & Grid21 Cell( 1, 4) 1 Text & " 'o rder by 编号 desc" 21 2 VB与MATLAB的连接 MAT LAB 与 VB 集成有 4 种方法: 借助 Ac- t iveX部件、借助 DDE 技术、借助编译 M 文件、引 入 MatrixVB [ 8]。本系统利用借助 A ct iveX部件的方 式。将 MAT LAB 做为自动化服务器, VB 为自动 化控制器, 由 VB编程驱动 MAT LA B。利用 VB 的 文件读写操作, 只需几分钟就可以完成调用过程。 以轧辊设计过程为例, 首先准备好 MATLAB 模 板文件 RollDesign _ based _ on _ rules _ and _ BP _ ANN1m, 其中, 包含了各道次轧辊设计所需要的 算法。在计算之前, 在 VB 中创建 MAT LAB Ac- t iveX控件, 方法如下: Dim matlab as object Set matlab = CreateObject( "matlab1 application") 将界面输入的数值写入到 MAT LAB模板中, Open App1 Path & " \ ERW \ input _ matlab \ Ro llDesign _ based _ on _ rules _ and _ BP _ ANN1m" Fo r Input As # 1 Open App1 Path & " \ ERW \ MatlabWork \ Ro llDesign \ RollDesign _ based _ on _ rules _ and _ BP _ ANN1m " Fo r Output A s # 2 Do While Not EOF ( 1) L ine Input # 1, i i = Replace ( i, " D _ new = 00" , " D _ new = " + Text 11 Tex t ) i = Replace( i, "E: \ ERW" , router + " \ ERW") P rint # 2, i L oop Close # 1 Close # 2 在创建好 MATLAB Acit iveX对象, 编写 MAT- LAB 输入文件后, 就可利用 matlab1Application 方 法, 调用 MATLAB, 完成计算, 语句如下: mat lab1 Execute( M AT _ 10) 21 3 VB与 ANSYS的连接 基于 VB的文件读写操作, 完成 ANSYS 的模 板文件。模板文件利用 APDL 语言编写, APDL 的 全称是 ANSYS Parametric Design Language, 是一 种参数化设计语言。它允许复杂的数据输入, 使用 户对任何设计或分析属性有控制权, 扩展了传统有 限元分析范围以外的能力, 并扩充了更高级运算, 150 锻 压 技 术 第 35 卷 包括灵敏度研究、零件参数化建模、设计修改及设 计优化。为用户控制任何复杂计算的过程提供了极 大的方便, 极大的提高了建模效率。 首先要准备好模板文件 model1 inp, 此外, 还 要准备好 material文件夹, 用来存放材料库中已有 材料的应力应变数据, model文件夹用于存放 5 类 不同规格的建模文件。 开始计算后, 系统会先根据焊管外径选择对应 的模板。以焊管外径 406 mm 为例, 其语句为: If El _ mode1 T ext = "Solid" Then ElseIf Roll _ d1 Tex t > = ( 3391 7 + 3551 6) / 2 And Ro ll _ d1 Text < ( 4061 4 + 4571 2) / 2 Then ø打开 model 3, lsr个数为 3 Open App1 Path & " \ temp \ model1 inp" For Binary As # 1 Open App1 Path & " \ model \ Solid \ model3 \ material01 inp" Fo r Binary As # 2 系统自动这部分建模程序以及界面中的各种控 制参数、工艺参数一起写入 model1 inp中, 生成一 个包含生成有限元输入文件 model _ M1 inp, 利用 VB的 SHELL 语句将其提交给 ANSYS, 格式为: Shell " C: \ Program Files \ Ansys Inc \ v110 \ ANSYS \ bin \ intel \ ANSYS1101 exe- b- p ansysds- i App1 Path temp \ model _ M1 inp ", vbM inimizedNoFocus 其中, 各种参数的含义是: -b表示批处理模式, -p表示制定产品特征名称, ansysds即为产品特征代 码, 表示使用显式瞬态动力分析和动力分析 LS- DYNA求解器, - i表示后面的文件为输入文件[ 9]。 提交之后生成相应的有限元输出文件。该文件 可以在高性能计算平台上提交, 最终获得直缝焊管 排辊成形全过程的模拟结果。 3 模块介绍和应用实例 31 1 参数管理 模块是整个系统的主界面, 为整个直缝焊管排 辊成形机组设计系统提供数据支持和管理。利用 VB 对 ACCESS的接口技术, 建立一个 ACCESS 数 据库对已有的工艺参数进行管理和操作, 为工程人 员在进行新规格焊管的设计时, 提供数据参考。如 图 4所示, 工程人员在可视化平台上, 可以进行参 数的记录、排序、查询、删除以及输出到 CAD/ CAE 仿真模块。 图 4 工艺参数管理系统界面 Fig1 4 Interface of pr ocess parameter m anagem ent 31 2 轧辊设计 从轧辊设计模块, 到后面的花型设计模块、成 形工艺参数模块是排辊成形机组的核心设计模块。 轧辊设计模块是进行焊管设计的第 1步, 为参数设 计和 CAD/ CAE 自动建模提供辊型参数。 在焊管外径参数输入栏中输入焊管尺寸规格, 开始设计轧辊。后台将利用 VB 对 MATLAB 的接 口技术, 调用相应的 MAT LAB 计算程序进行设计 计算。计算结束后, 可以查看各个道次计算结果, 如图 5为焊管成形过程中的粗成形道次对应辊型尺 寸和对应的几何示意图。 31 3 花型设计 在完成轧辊设计后, 可以进行花型设计, 以提 供板带横向弯曲模式参数。轧辊设计中的焊管外径 数值直接传递到本模块中, 工程人员还需要输入下 山量、边缘弯曲角度、变形盲区起点、变形盲区终 151第 2 期 高宇飞等: 排辊成形工艺参数化设计系统集成开发技术 图 5 直缝焊管轧辊设计 Fig1 5 Roll design for ERW pipes 点以及变形盲区相对曲率等各项控制参数。开始设 计轧辊, 系统后台自动调用相应的 MATLAB 程序 计算。计算结束后, 可以看到预成形段、线成形第 1段、第 2段、第 3 段出入口侧的板带横向弯曲界 面的几何特征参数和实时示意图, 如图 6所示。 图 6 直缝焊管花型设计 Fig16 Flow er pat tern for ERW pipes 31 4 成形工艺参数设计 完成轧辊设计和花型设计之后, 将进行成形工 艺参数设计, 它决定了轧辊在空间的相对位置, 对 焊管成形质量有最直接的影响。前面输入过的焊管 外径、下山量、边缘弯曲角度、变形盲区起点、变 形盲区终点以及变形盲区相对曲率系统会自动传递 过来, 工程人员需要输入弯曲角和接触比。完成控 制参数输入后, 系统后台调用对应 MATLAB 程序 计算。计算完成后, 可查看不同道次的示意图和工 艺参数。图 7为 IFR/ Sup道次示意图和各个轧辊相 对位置数值。 图 7 直缝焊管成形工艺参数设计 Fig1 7 Pr oces s parameter for ERW pipes 31 5 CAD/ CAE自动化建模仿真 在轧辊设计、花型设计、成形工艺参数设计的 基础上, 得到了调整机组所必须的辊型参数和辊位 参数, 利用以上结果, 可以自动化快速建模生成直 缝焊管排辊成形的全机组模型。在之前的 3个设计 模块中输入过的设计参数, 系统会自动传递过来, 工程人员需要输入设定的参数包括单元类型、辊弯 道次、材料规格、网格尺寸、板带长度以及板带速 度等, 系统进行全机组的自动化参数建模 (图 8)。 图 8 直缝焊管 CAD/ CAE建模仿真 Fig1 8 CAD/ CAE modeling and sim ulation for ERW pipes 152 锻 压 技 术 第 35 卷 工程人员可以检查模型的合理性 (图 9) , 如果合 理, 则可以将得到的模型在计算平台上提交求解。 图 10为成形过程的仿真结果[ 10]。 图 9 直缝焊管排辊成形机组有限元模型 Fig1 9 FE model for ERW pipes 图 10 直缝焊管成形仿真模拟结果 Fig1 10 Simulat ion result s of ERW pipes 4 结论 通过上述对直缝焊管排辊成形机组的研究, 基 于 V isual Basic 平台, 利用焊管成形工艺设计系统 所需的各个软件的接口技术, 完成了直缝焊管排辊 成形机组设计系统。该系统为工程人员在工程数据 管理、轧辊设计、花型设计、成形工艺参数设计和 CAD/ CAE仿真建模整个过程提供了较全面的工程 解决方法, 是在排辊成形的工艺设计集成系统开发 方面的一次有意义的尝试。 参考文献: [ 1 ] 李晓红. 我国焊管生产现状及发展趋势 [ J] . 焊管, 2008, 37( 1) : 18-21. 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