智能化冷弯成型动态链式模型的基本构架研究

李国昌，邸树纲

（1.河北科技大学经济管理学院，河北石家庄 050018；2.河北高速公路京秦管理处，河北秦皇岛 066001）

智能化冷弯成型动态链式模型的基本构架研究

李国昌1，邸树纲2

（1.河北科技大学经济管理学院，河北石家庄 050018；2.河北高速公路京秦管理处，河北秦皇岛 066001）

在分析了实际轧制过程和样条有限条理论后，提出了轧制过程的动态链式模型，研究了实际轧制过程和链式结构的对应关系，给出了链式结构节点的孔型应力 －应变数学描述式，并在此基础上给出了节点的智能结构。对每个Agent中知识过程和推理方法给出了一般性格式，同时给出了基本的对节点参数智能化修改的方法。

智能化；冷弯成型；动态链式模型；节点；Agent

冷弯成型是对板材进行冷塑性加工的方法，具有节能、成型稳定、断面复杂、功能多等特点。由于在成型过程中存在着弹塑性变形，而影响弹塑性变形的因素很多，所以成型过程不容易控制，成型的模具设计较难掌握。现代冷弯型材生产主要以辊弯成型为主，轧辊的设计至关重要。由于冷弯成型时受影响因素较多，现有的变形理论不能精确地指导孔型设计，所以企业设计孔型一般采用经验的方法，而经验的方法使孔型设计的质量波动较大。避免孔型设计质量波动的方法是加强变形理论的研究，减少经验因素，量化设计方法，以理论指导实践。研究孔型设计理论的基础是建立符合实际的轧制过程模型，利用合理的模型研究轧制过程中应力与应变之间的关系，找出精准的理论才能很好地指导实际孔型设计。

1 实际轧制过程分析

冷弯型材一般是通过多道次轧辊完成成型的。型材的断面几何形状越复杂，成型道次越多。图1是冷弯中梁轧制过程中3个道次的变形示意图［1］。可以看到，每个成型道次有确定的成型任务，型材在经过成型道次时有较大的变形，在道次间基本不受力或受力较小，故变形较小。整个轧制过程是由各道次的变形和道次间的较小变形或不变形所构成。在各道次中，型材的变形由轧辊构成的孔型实施，轧辊对型材材料施加的力与变形位移之间的关系，可以用有限元法描述。但考虑到型材一般情况下在带宽方向（横向）变化较大，在带长方向（纵向）变化较小的原因，可以先忽略带长维方向的变量。但又考虑到在带长方向型材还存在一些变形，这些变形用级数进行补充，简化级数后得到样条函数，最后形成型材的样条有限条应力－应变分析方法。

图1 辊弯成型变形过程Fig.1 Roll bending forming deformation process

近年来的研究发现，样条有限条法虽然能够揭示冷弯成型过程中能量与位移之间的关系，但精确程度较差，而且应力 －应变分析主要集中在一个变形环节上，不能建立整个轧制过程相互变形的关系，以致于此理论不能精确地指导孔型设计。若使型材变形的理论研究能够较精确地指导孔型设计算法，首先必须建立与实际轧制过程相符的模型，然后依据此模型对整个变形过程进行研究。以往研究钢带冷弯变形的方法主要是研究钢带在某一道次上的受力 －位移之间的静态关系，因为对于1个变形点上的静态对应关系容易获得数据，而实际轧制过程是在多变形点动态下完成的，各道次间的动态联系没有被静态模型反映出来，所以，单道次静态模型不能真实地反映实际轧制过程的受力情况。

2 动态链式模型的建立

根据实际轧制过程，引入数据结构中链表的结构，利用链表的数学特性和逻辑特性研究冷弯成型过程的受力分析。将各道次作为轧制节点，道次间作为逻辑链，构成一个轧制过程链结构模型。模型中，节点的变形是剧烈的，逻辑链的变形是温和的。根据钢带在变形过程中的应力 －应变关系，对模型中的节点和链进行数学描述，对于动态的和一些不确定的影响因素，用专家知识加以补充和修正。

2.1 链式结构

链式结构的主体思想来源于计算机科学的《数据结构》内容［2］。链式结构由节点和链构成，节点中储存着数据和链，节点和节点之间由链来柔性连接，实现构造整个链式结构。利用链式结构的理论揭示动态轧制过程特性，会为轧制过程应力 －应变分析找到较好的方法。

2.2 轧制过程与链式结构

图2 轧制道次与链表节点的对应关系Fig.2 Corresponding relation of rolling pass and linked lists node

在冷弯成型轧制过程中，带钢的主要变形部位在各道次孔型，道次间仅存在边缘拉伸和过渡变形。将各道次的变形数据构成节点，道次间的变形构成链数据，就将实际轧制过程抽象成链式逻辑结构，轧制道次与链表节点对应关系如图2所示。

链式结构每个节点对应着动态轧制过程的相关道次，钢带在道次中的变形机理由节点中数据域的算式描述，道次间的边缘拉伸变形由节点中的链域（指针域）描述。

2.3 钢带孔型中的变形与孔型间的变形描述

冷弯成型主要在孔型中完成，从一个孔型到另一个孔型间的变形较小，主要是拉伸变形。

1）孔型中的动态变形描述 在孔型的作用下，钢带发生变形。变形部分位移与能量之间的关系有多种分析方法，较为有效的方法是样条有限条法。样条有限条法是在有限元法的基础上修改而成的。基本思想是由于冷弯型材的纵向基本不变形，在理论分析中可以忽略纵向维的变形因素，由有限元的三维变形分析改为仅考虑带宽方向的二维变形分析。又由于型材在成型过程中，钢带边缘受拉伸而变形，这部分变形描述由级数改为样条函数。样条有限条法是针对辊弯轧制型材这一特定情况而建立的应力 －应变分析方法。其目的是为根据要求制造的型材提供孔型设计方法的理论基础。

型材在成型过程中分2部分，一部分是由孔型加弹塑性力后使钢带发生变化，这一部分是在机架的孔型中完成的。另一部分是机架间的平缓过渡变形，这部分是在机架间完成的，在孔型中变形机理由式（1）描述为［3］

2）机架间钢带过渡变形及数学描述 机架间的平缓过渡区主要是钢带的边缘拉伸变形，拉伸率由式（2）给出［3］：

描述综合拉伸变形采用简化的三阶样条函数，表达式如式（3）所示［3］：

3 智能化处理

在建立模型中引入了大量的公式和算法，在形成这些算式时，为了简化计算要忽略某些因素，而这些因素有可能会使理论模型与实际模型之间出现差异。为了解决此类问题，引入人工智能的方法，在模型算式中引入人类经验知识，用以修正理论模型与实际模型之间的差距，使理论模型尽可能逼近实际模型。具体方法如下：

1）对每个变形的有限条设置1个对应的Agent［4］；

2）在每个Agent中设置链式节点知识容器和指针知识容器；

3）利用2个知识容器中的知识修正模型参数。

基本Agent构架如下：

知识修正举例：在节点数据区中放置式（1）、式（2）、式（3）的运算式，式（1）中的y（η）由式（4）给出［5］：

由于C1，C2，C3，C4是ζ的表达式，且ζ＝x／b［3］，实际计算在ζ＝0.2时，C1近似为0.88，C2近似为0.104，但根据专家知识，C1近似为0.65，C2近似为0.31较好，故采用人工知识确定的方法。知识规则如下：

将ζ＝0.2，C1＝0.88，C2＝0.104，C3＝0.22，C4＝0.16等放在Agent的知识容器中，将判断语句放在推理机中，完成智能模型的构建。如果上述规则有问题，可以通过实验和专家建议进行数据调整。知识规则来源于试验和专家的实际经验，经专家知识修正后，更接近实际轧制过程。在得到较理想的模型后，对轧制过程的机理研究就有了扎实的基础。

4 结 语

冷弯型钢的成型过程影响因素多，变化复杂。如何设计出合理的孔型，尤其是轧制断面复杂的冷弯型钢的孔型，是冷弯成型领域的难题。笔者在研究了轧制过程和数据链表的机理后，提出了建立智能化动态链式冷弯成型轧制过程模型的思想，主要是利用链表的理论建立轧制过程模型，从而动态描述轧制过程，为了使模型更逼近于实际，在模型中加入了人工智能的修正。

［1］ 马立冬.辊弯成型过程数值模拟及网络化研究［D］.秦皇岛：燕山大学，2009.

［2］ 严蔚敏，吴伟民.数据结构［M］.北京：清华大学出版社，2010.

［3］ 周 瑛.辊式成形过程的弹塑性大变形样条有限条模拟［D］.秦皇岛：燕山大学，1996.

［4］ 谷晓英，李国昌，刘林志，等.Agent在代理对象应用中的研究［J］.河北科技大学学报（Journal of Hebei University of Science and Technology），2009，30（3）：215－218.

［5］ 李 萍，李法朝.基于决策树的知识表示模型及其应用［J］.河北科技大学学报（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；责任编辑：李 穆

河北省自然科学基金资助项目（E2011208014）；河北省科学技术研究与发展计划项目（11457202－8）

李国昌（1955－），男，河北保定人，教授，主要从事冷弯成型和孔型设计智能化方法等方面的研究。