智能化冷彎成型動(dòng)態(tài)鏈?zhǔn)侥Ｐ偷幕緲?gòu)架研究

李國(guó)昌，邸樹綱

（1.河北科技大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，河北石家莊 050018；2.河北高速公路京秦管理處，河北秦皇島 066001）

智能化冷彎成型動(dòng)態(tài)鏈?zhǔn)侥Ｐ偷幕緲?gòu)架研究

李國(guó)昌1，邸樹綱2

（1.河北科技大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，河北石家莊 050018；2.河北高速公路京秦管理處，河北秦皇島 066001）

在分析了實(shí)際軋制過程和樣條有限條理論后，提出了軋制過程的動(dòng)態(tài)鏈?zhǔn)侥Ｐ?，研究了?shí)際軋制過程和鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，給出了鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的孔型應(yīng)力 －應(yīng)變數(shù)學(xué)描述式，并在此基礎(chǔ)上給出了節(jié)點(diǎn)的智能結(jié)構(gòu)。對(duì)每個(gè)Agent中知識(shí)過程和推理方法給出了一般性格式，同時(shí)給出了基本的對(duì)節(jié)點(diǎn)參數(shù)智能化修改的方法。

智能化；冷彎成型；動(dòng)態(tài)鏈?zhǔn)侥Ｐ?；?jié)點(diǎn)；Agent

冷彎成型是對(duì)板材進(jìn)行冷塑性加工的方法，具有節(jié)能、成型穩(wěn)定、斷面復(fù)雜、功能多等特點(diǎn)。由于在成型過程中存在著彈塑性變形，而影響彈塑性變形的因素很多，所以成型過程不容易控制，成型的模具設(shè)計(jì)較難掌握?，F(xiàn)代冷彎型材生產(chǎn)主要以輥彎成型為主，軋輥的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。由于冷彎成型時(shí)受影響因素較多，現(xiàn)有的變形理論不能精確地指導(dǎo)孔型設(shè)計(jì)，所以企業(yè)設(shè)計(jì)孔型一般采用經(jīng)驗(yàn)的方法，而經(jīng)驗(yàn)的方法使孔型設(shè)計(jì)的質(zhì)量波動(dòng)較大。避免孔型設(shè)計(jì)質(zhì)量波動(dòng)的方法是加強(qiáng)變形理論的研究，減少經(jīng)驗(yàn)因素，量化設(shè)計(jì)方法，以理論指導(dǎo)實(shí)踐。研究孔型設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)是建立符合實(shí)際的軋制過程模型，利用合理的模型研究軋制過程中應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系，找出精準(zhǔn)的理論才能很好地指導(dǎo)實(shí)際孔型設(shè)計(jì)。

1 實(shí)際軋制過程分析

冷彎型材一般是通過多道次軋輥完成成型的。型材的斷面幾何形狀越復(fù)雜，成型道次越多。圖1是冷彎中梁軋制過程中3個(gè)道次的變形示意圖［1］。可以看到，每個(gè)成型道次有確定的成型任務(wù)，型材在經(jīng)過成型道次時(shí)有較大的變形，在道次間基本不受力或受力較小，故變形較小。整個(gè)軋制過程是由各道次的變形和道次間的較小變形或不變形所構(gòu)成。在各道次中，型材的變形由軋輥構(gòu)成的孔型實(shí)施，軋輥對(duì)型材材料施加的力與變形位移之間的關(guān)系，可以用有限元法描述。但考慮到型材一般情況下在帶寬方向（橫向）變化較大，在帶長(zhǎng)方向（縱向）變化較小的原因，可以先忽略帶長(zhǎng)維方向的變量。但又考慮到在帶長(zhǎng)方向型材還存在一些變形，這些變形用級(jí)數(shù)進(jìn)行補(bǔ)充，簡(jiǎn)化級(jí)數(shù)后得到樣條函數(shù)，最后形成型材的樣條有限條應(yīng)力－應(yīng)變分析方法。

圖1 輥彎成型變形過程Fig.1 Roll bending forming deformation process

近年來的研究發(fā)現(xiàn)，樣條有限條法雖然能夠揭示冷彎成型過程中能量與位移之間的關(guān)系，但精確程度較差，而且應(yīng)力 －應(yīng)變分析主要集中在一個(gè)變形環(huán)節(jié)上，不能建立整個(gè)軋制過程相互變形的關(guān)系，以致于此理論不能精確地指導(dǎo)孔型設(shè)計(jì)。若使型材變形的理論研究能夠較精確地指導(dǎo)孔型設(shè)計(jì)算法，首先必須建立與實(shí)際軋制過程相符的模型，然后依據(jù)此模型對(duì)整個(gè)變形過程進(jìn)行研究。以往研究鋼帶冷彎變形的方法主要是研究鋼帶在某一道次上的受力 －位移之間的靜態(tài)關(guān)系，因?yàn)閷?duì)于1個(gè)變形點(diǎn)上的靜態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系容易獲得數(shù)據(jù)，而實(shí)際軋制過程是在多變形點(diǎn)動(dòng)態(tài)下完成的，各道次間的動(dòng)態(tài)聯(lián)系沒有被靜態(tài)模型反映出來，所以，單道次靜態(tài)模型不能真實(shí)地反映實(shí)際軋制過程的受力情況。

2 動(dòng)態(tài)鏈?zhǔn)侥Ｐ偷慕?/h2>

根據(jù)實(shí)際軋制過程，引入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中鏈表的結(jié)構(gòu)，利用鏈表的數(shù)學(xué)特性和邏輯特性研究冷彎成型過程的受力分析。將各道次作為軋制節(jié)點(diǎn)，道次間作為邏輯鏈，構(gòu)成一個(gè)軋制過程鏈結(jié)構(gòu)模型。模型中，節(jié)點(diǎn)的變形是劇烈的，邏輯鏈的變形是溫和的。根據(jù)鋼帶在變形過程中的應(yīng)力 －應(yīng)變關(guān)系，對(duì)模型中的節(jié)點(diǎn)和鏈進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，對(duì)于動(dòng)態(tài)的和一些不確定的影響因素，用專家知識(shí)加以補(bǔ)充和修正。

2.1 鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)

鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的主體思想來源于計(jì)算機(jī)科學(xué)的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》內(nèi)容［2］。鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)由節(jié)點(diǎn)和鏈構(gòu)成，節(jié)點(diǎn)中儲(chǔ)存著數(shù)據(jù)和鏈，節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間由鏈來柔性連接，實(shí)現(xiàn)構(gòu)造整個(gè)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。利用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的理論揭示動(dòng)態(tài)軋制過程特性，會(huì)為軋制過程應(yīng)力 －應(yīng)變分析找到較好的方法。

2.2 軋制過程與鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)

圖2 軋制道次與鏈表節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.2 Corresponding relation of rolling pass and linked lists node

在冷彎成型軋制過程中，帶鋼的主要變形部位在各道次孔型，道次間僅存在邊緣拉伸和過渡變形。將各道次的變形數(shù)據(jù)構(gòu)成節(jié)點(diǎn)，道次間的變形構(gòu)成鏈數(shù)據(jù)，就將實(shí)際軋制過程抽象成鏈?zhǔn)竭壿嫿Y(jié)構(gòu)，軋制道次與鏈表節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)著動(dòng)態(tài)軋制過程的相關(guān)道次，鋼帶在道次中的變形機(jī)理由節(jié)點(diǎn)中數(shù)據(jù)域的算式描述，道次間的邊緣拉伸變形由節(jié)點(diǎn)中的鏈域（指針域）描述。

2.3 鋼帶孔型中的變形與孔型間的變形描述

冷彎成型主要在孔型中完成，從一個(gè)孔型到另一個(gè)孔型間的變形較小，主要是拉伸變形。

1）孔型中的動(dòng)態(tài)變形描述 在孔型的作用下，鋼帶發(fā)生變形。變形部分位移與能量之間的關(guān)系有多種分析方法，較為有效的方法是樣條有限條法。樣條有限條法是在有限元法的基礎(chǔ)上修改而成的。基本思想是由于冷彎型材的縱向基本不變形，在理論分析中可以忽略縱向維的變形因素，由有限元的三維變形分析改為僅考慮帶寬方向的二維變形分析。又由于型材在成型過程中，鋼帶邊緣受拉伸而變形，這部分變形描述由級(jí)數(shù)改為樣條函數(shù)。樣條有限條法是針對(duì)輥彎軋制型材這一特定情況而建立的應(yīng)力 －應(yīng)變分析方法。其目的是為根據(jù)要求制造的型材提供孔型設(shè)計(jì)方法的理論基礎(chǔ)。

型材在成型過程中分2部分，一部分是由孔型加彈塑性力后使鋼帶發(fā)生變化，這一部分是在機(jī)架的孔型中完成的。另一部分是機(jī)架間的平緩過渡變形，這部分是在機(jī)架間完成的，在孔型中變形機(jī)理由式（1）描述為［3］

2）機(jī)架間鋼帶過渡變形及數(shù)學(xué)描述 機(jī)架間的平緩過渡區(qū)主要是鋼帶的邊緣拉伸變形，拉伸率由式（2）給出［3］：

描述綜合拉伸變形采用簡(jiǎn)化的三階樣條函數(shù)，表達(dá)式如式（3）所示［3］：

3 智能化處理

在建立模型中引入了大量的公式和算法，在形成這些算式時(shí)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算要忽略某些因素，而這些因素有可能會(huì)使理論模型與實(shí)際模型之間出現(xiàn)差異。為了解決此類問題，引入人工智能的方法，在模型算式中引入人類經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，用以修正理論模型與實(shí)際模型之間的差距，使理論模型盡可能逼近實(shí)際模型。具體方法如下：

1）對(duì)每個(gè)變形的有限條設(shè)置1個(gè)對(duì)應(yīng)的Agent［4］；

2）在每個(gè)Agent中設(shè)置鏈?zhǔn)焦?jié)點(diǎn)知識(shí)容器和指針知識(shí)容器；

3）利用2個(gè)知識(shí)容器中的知識(shí)修正模型參數(shù)。

基本Agent構(gòu)架如下：

知識(shí)修正舉例：在節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)區(qū)中放置式（1）、式（2）、式（3）的運(yùn)算式，式（1）中的y（η）由式（4）給出［5］：

由于C1，C2，C3，C4是ζ的表達(dá)式，且ζ＝x／b［3］，實(shí)際計(jì)算在ζ＝0.2時(shí)，C1近似為0.88，C2近似為0.104，但根據(jù)專家知識(shí)，C1近似為0.65，C2近似為0.31較好，故采用人工知識(shí)確定的方法。知識(shí)規(guī)則如下：

將ζ＝0.2，C1＝0.88，C2＝0.104，C3＝0.22，C4＝0.16等放在Agent的知識(shí)容器中，將判斷語句放在推理機(jī)中，完成智能模型的構(gòu)建。如果上述規(guī)則有問題，可以通過實(shí)驗(yàn)和專家建議進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)整。知識(shí)規(guī)則來源于試驗(yàn)和專家的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)專家知識(shí)修正后，更接近實(shí)際軋制過程。在得到較理想的模型后，對(duì)軋制過程的機(jī)理研究就有了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

4 結(jié) 語

冷彎型鋼的成型過程影響因素多，變化復(fù)雜。如何設(shè)計(jì)出合理的孔型，尤其是軋制斷面復(fù)雜的冷彎型鋼的孔型，是冷彎成型領(lǐng)域的難題。筆者在研究了軋制過程和數(shù)據(jù)鏈表的機(jī)理后，提出了建立智能化動(dòng)態(tài)鏈?zhǔn)嚼鋸澇尚蛙堉七^程模型的思想，主要是利用鏈表的理論建立軋制過程模型，從而動(dòng)態(tài)描述軋制過程，為了使模型更逼近于實(shí)際，在模型中加入了人工智能的修正。

［1］ 馬立冬.輥彎成型過程數(shù)值模擬及網(wǎng)絡(luò)化研究［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2009.

［2］ 嚴(yán)蔚敏，吳偉民.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

［3］ 周 瑛.輥式成形過程的彈塑性大變形樣條有限條模擬［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，1996.

［4］ 谷曉英，李國(guó)昌，劉林志，等.Agent在代理對(duì)象應(yīng)用中的研究［J］.河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)（Journal of Hebei University of Science and Technology），2009，30（3）：215－218.

［5］ 李 萍，李法朝.基于決策樹的知識(shí)表示模型及其應(yīng)用［J］.河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)（Journal of Hebei University of Science and Technology），2009，30（2）：87－91.

Study on the basic framework of intelligent cold roll forming dynamic chain model

LI Guo－chang1，DI Shu－gang2
（1.College of Management and Economics，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China；2.Jing Qin Highway Management Office，Hebei Highway，Qinhuangdao Hebei 066001，China）

After analysing the actual rolling process and the spline finite strip theory，the paper puts forward the dynamic chain model of the rolling process，researches into the practical rolling process and the corresponding relation of the chain structure，and provides the hole pattern stress and strain mathematics description type of chain structure node.Furthermore it presents the node intelligence structure based on the above.The paper provides the general format for the knowledge process and the reasoning method in each Agent，and presents the basic intelligence modification method for node parameter.

intelligence；cold roll forming；dynamic chain model；node；Agent

TG302

A

1008－1542（2012）03－0224－04

2011－10－09；責(zé)任編輯：李 穆

河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（E2011208014）；河北省科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（11457202－8）

李國(guó)昌（1955－），男，河北保定人，教授，主要從事冷彎成型和孔型設(shè)計(jì)智能化方法等方面的研究。