TRB轧制成型控制建模及仿真

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 2.07MB 67 页 15积分

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摘要

连续变截面薄板（Tailor rolled blanks,简称 TRB）是通过柔性轧制工艺得到的

一种新型板材。其特点是厚度连续变化，后加工成形性能较好，所得零件质量轻、

刚性好。目前在欧洲发达国家已开始应用于汽车车身，是解决汽车轻量化的有效

途径之一。在零件设计的时候根据承载加载的情况得到板的厚度分布，然后通过

柔性轧制工艺得到所需的 TRB，用该种变厚度的薄板代替传统的等厚板，从而实

现减重。TRB 的核心技术是柔性轧制工艺，当前主要由 IBF 和Mubea 合作开发出

了柔性轧机，关于 TRB 的轧制控制技术属于高度保密和垄断。因此，要推广 TRB

的广泛应用，研究 TRB 的轧制成形和轧制过程控制就成了关键。

首先，基于 Deform-3D的成形仿真平台，建立等效的 TRB 轧制成形模型，此

模型中假设轧辊为刚体不变形，设置板料参数和其他控制参数，对 TRB 零件进行

轧制成形周期模拟，仿真证明了 TRB 轧制的可实现性，但要获得高精度的轮廓曲

线需考虑轧辊下压速度与轧制速度的匹配。

其次，针对 TRB 轧制过程中受到多因素的影响，利用正交试验方法着重考虑

摩擦因素、轧辊下压速度、轧辊角速度对轧制过程的影响。试验考虑了三个因素

的两两交互作用，安排了 27 次试验，采用直观分析法和方差分析对试验结果进行

了分析，确定了一组最优参数，得到的仿真结果与实际曲线很接近。

最后，研究了 TRB 的轧制过程控制仿真，介绍了 TRB 板厚综合数学模型。分

析目前常用 AGC 系统，提出可以实现 TRB 轧制的集成 AGC 系统方案。针对 AGC

系统常出现纯滞后现象，结合 Smith 预估器对 AGC 系统进行仿真分析，在预估模

型精确的时候，Smith 预估器比传统 PID控制效果显著。但Smith预估器的预估模。

型与被控对象的实际模型出现偏差时，控制效果反而不理想。为此，考虑到模糊

控制器对参数变化不敏感，结合 PID 有参数自适应能力，利用模糊规则在线调整

PID 的参数，实现 Smith-模糊 PID 综合控制。

TRB 轧制过程复杂，是传统横向轧制和纵向轧制的结合，传统控制方案控制

精度低，本文研究的结合模糊 PID 控制器为 TRB 轧制成形的实现提供了技术支持，

为TRB 的应用提供理论指导。

关键词：连续变截面板 Smith 预估器模糊 PID 正交试验

ABSTRACT

Tailor rolled blanks, shorten by TRB is a kind of new technology blank, which is

made by a flexible rolling process. And it is characterized by continuous changes in the

thickness, better performance in the forming process and high surface quality. It has

been applied to car body in developed countries in Europe, and has been proved as an

effective way to realize lightweight vehicles. The variable thickness can be determined

according to the load of the part should be under when designing this part, and produce

this TRB part instead of the traditional blank using flexible rolling process to achieve

weight loss. The key technology of TRB is the flexible rolling process, currently, IBF

and Mubea cooperate to develop the flexible rolling, and the control technology is

highly confidential and monopoly. Therefore, to promote the wide application of TRB,

the first thing to do is studying the key technology on the rolling forming and rolling

process control.

In this paper, first, the writer made an equivalent model of TRB rolling based on

Deform-3D forming simulation platform, which assume that the work roller is rigid

body. After set the sheet parameters and other control parameters, carried out a complete

simulation of the TRB rolling, the results show that the TRB rolling can be achieved,

but to obtain high-precision contour curve, the match of rolling speed and press speed

should be highly considered.

Secondly, as the TRB rolling process affect by many factors, orthogonal test

method was used mainly focused on the friction factor, press speed of roll, and roll

angular velocity of the rolling processes. Considering the interaction of each two factors,

27 tests are carried out according to the plan, using visual analysis and variance analysis

of experimental, results were analyzed to determine a set of optimal parameters,

simulation results and the actual curve is very close.

Finally, the writer studied the TRB rolling process control simulation, describes the

TRB thickness comprehensive mathematical model. And had an analysis of the current

common AGC system, put forward an integrated AGC system TRB rolling program. As

AGC system often appear for the pure lag, combined with the Smith predictor system to

have a simulation analysis of the AGC. Smith predictor has good control results than the

traditional PID control when the predicted model is as same as the controlling model.

But the control effect is not ideal when Smith predicted model has a big deviation

compared with the controlled object model. Therefore, the fuzzy PID was used in TRB

rolling control because the fuzzy controller is not sensitive to parameter changes. PID

parameters were on-line adjusted to achieve comprehensive control of TRB rolling

process using Smith-fuzzy PID.

TRB rolling process is a complex process, which is the combination of traditional

horizontal rolling and vertical rolling. The Smith-Fuzzy PID control program in this

paper is a good way to realize the accuracy control of TRB rolling process. This study

provided technical support for the TRB rolling forming implementation and provided

the application of TRB with theoretical guidance.

Keywords: TRB, Smith predictor, Fuzzy PID, Orthogonal test

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .................................................................................................................... 1

§1.1 课题研究背景及意义 ......................................................................................... 1

§1.2 变截面技术简介 ................................................................................................. 1

§1.2.1 TWB 与TRB 的比较 .................................................................................. 3

§1.2.2 TRB 的运用实例......................................................................................... 3

§1.3 TRB 的国内外研究现状...................................................................................... 6

§1.3.1 TRB 的国外研究现状................................................................................. 6

§1.3.2 TRB 的国内研究现状................................................................................. 7

§1.4 研究的目的和主要内容 ..................................................................................... 8

第二章 TRB 塑性成形的理论研究.............................................................................. 10

§2.1 TRB 轧制变形区基本工艺参数........................................................................ 10

§2.2 变形区应力状态及塑性方程 ........................................................................... 14

§2.3 轧制力模型的理论基础 ................................................................................... 15

§2.3.1 Orowan 变形区力平衡式 ......................................................................... 15

§2.3.2 TRB 轧制时外摩擦应力状态系数........................................................... 16

§2.4 板带轧机基本方程 ........................................................................................... 17

§2.4.1 弹跳方程 .................................................................................................. 17

§2.4.2 厚度控制分析方法-P-h 图 ...................................................................... 18

§2.5 本章小结 ........................................................................................................... 19

第三章 TRB 轧制成形模拟仿真.................................................................................. 20

§3.1 TRB 柔性轧制工艺流程.................................................................................... 20

§3.2 TRB 轧制成形模拟............................................................................................ 21

§3.2.1 理想变截面轧制过程 .............................................................................. 21

§3.2.2 咬入过程及等效工艺 .............................................................................. 21

§3.2.3 Deform 简介及等厚板轧制模拟 .............................................................. 22

§3.2.4 TRB 轧制成形模拟................................................................................... 23

§3.3 结果分析 ........................................................................................................... 25

§3.3.1 完整周期模拟仿真 .................................................................................. 25

§3.3.2 变截面上行段模拟仿真 .......................................................................... 26

§3.4 本章小结 ........................................................................................................... 28

第四章 TRB 轧制成形多参数优化.............................................................................. 29

§4.1 正交试验设计方法简介 ................................................................................... 29

§4.1.1 正交表的定义及种类 .............................................................................. 29

§4.1.2 正交试验的基本步骤 .............................................................................. 30

§4.1.3 正交试验结果的分析方法 ...................................................................... 30

§4.1.4 正交试验方案 .......................................................................................... 31

§4.1.5 试验数据统计分析 .................................................................................. 33

§4.2 本章小结 ........................................................................................................... 36

第五章 TRB 轧制控制建模及仿真.............................................................................. 37

§5.1 TRB 板厚综合系统数学模型............................................................................ 37

§5.2 目前常用轧制 AGC 系统 ................................................................................. 37

§5.2.1 厚度反馈 AGC ......................................................................................... 37

§5.2.2 厚度前馈 AGC ......................................................................................... 38

§5.2.3 监控 AGC ................................................................................................. 39

§5.2.4 流量 AGC ................................................................................................. 40

§5.3 TRB 轧制 AGC 系统分析 ................................................................................. 40

§5.4 TRB 液压伺服系统仿真研究............................................................................ 41

§5.4.1 Matlab/Simulink 简介 .............................................................................. 41

§5.4.2 TRB 液压伺服系统建模........................................................................... 42

§5.4.3 PID 控制器与 Smith 控制器仿真分析[52~54] ............................................ 44

§5.4.4 模糊 smith 控制系统研究 ....................................................................... 49

§5.4.5 模糊 smith 控制系统仿真分析 ............................................................... 53

§5.5 本章小结 ........................................................................................................... 56

第六章结论与展望 ...................................................................................................... 57

§6.1 结论 ................................................................................................................... 57

§6.2 展望 ................................................................................................................... 58

参考文献 ........................................................................................................................ 59

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 63

致谢 .............................................................................................................................. 64

第一章绪论

§1.1 课题研究背景及意义

近年来，我国国民经济快速稳步增长，综合实力逐渐增强。国家大力投资基

础设施使我国汽车工业得到飞速发展，同样我国的专用汽车市场也呈现出繁荣的

景象，这种快速发展不仅满足了国内各种需求，而且促进了国民经济的发展。2008

年金融危机后，制造业恢复速度惊人，尤其是汽车行业有着巨大的需求量。在乘

用车和商用车方面的订单量增加迅猛，经济效益非常乐观。但是目前汽车行业也

面临着全球性问题，如何在保证质量和安全的前提下，减轻车身重量，降低油耗

同时减少二氧化碳等有害气体的排放。因此，开发以低油耗、少排放为特征的“环

境友好型汽车”就成为当前汽车业发展的方向。据有关数据显示，车辆每减轻一

千克，就会每公里节约 0.025 毫升汽油，进而减少二氧化碳 0.06g/km 的排放量。

此外，各国政府通过实施一些新政策来从源头促使其车企业重视节能减排。比如，

美国政府出台了汽车平均油耗新规：至 2025 年，百公里平均耗油需低于 4.3 升。

在国内实施更严格的油耗新政也是发改委正在考虑的事情。根据公安部交管局的

最新统计，截至 2011 年8月底，中国汽车保有量已经超过 1亿辆，成为继美国 2.85

亿辆之后的世界第二汽车大国。迅速增加的汽车保有量，虽然促进国民经济的发

展，但也对国内燃油供应带来巨大压力。同时大量排放的汽车尾气也成为许多城

市空气污染的主要源头之一[1]。为了保持中国汽车产业可持续发展，汽车轻量化是

一个很好的途径。汽车白车身重量约占整车的百分之三十，因而车身轻量化在整

车减重中占有很大的比重。

目前，市面上的汽车大多数是以内燃机为主，发展新能源汽车是一个方向，

但是这两方面都会涉及到轻量化构件，通过汽车轻量化设计可以实现汽车减重，

降低油耗，减少排放的目标。汽车轻量化不是简单的将部件减重，而必须确保该

部件的性能表现跟原来持平或者更好，主要包括部件的强度，防撞性能，噪声振

动性能以及耐久性等。通常，首先会选取更轻强度更好的替代材料实现轻量化，

如铝或镁及其合金[2,3]、碳纤维材料等，还可以采用更薄的高强度钢板减轻车身重

量，此外，采取先进成型技术的型材是重点研究的方向，如变截面技术等。

§1.2 变截面技术简介

变截面技术已开始广泛运用于汽车行业，应用的方式主要有三种[4]：

（1）激光拼焊板（Tailor welded blank, TWBs），是用激光拼焊的方式将不同

TRB 轧制成型控制建模及仿真

厚度甚至是不同类型的金属薄板连接起来得到的变厚度板材，其后续成形加工后，

可以实现白车身大量部件的尺寸和形状优化。目前 TWB 运用于汽车门内板，中间

立柱内板，板簧等，是汽车行业的一个新标准工艺。激光拼焊板的使用，可以按

载荷减少材料的使用，但其焊缝处承载能力低，对后续成形有影响，且存在厚度

突变，对模具设计制造、焊缝移动控制提出更高的要求。

（2）连续变截面辊轧板（Tailor rolled blank, TRB），是通过柔性轧制技术)[5~8]

得到的一种新型板材，其特点是在板料轧制过程中，工作辊辊缝按照设计要求在

线实时调整，从而得到在轧制方向上厚度连续周期变化的板材。此概念由德国亚

琛大学的 R.Kopp 教授在上世纪九十年代提出。连续变截面辊轧板没有厚度突变，

厚度变化连续，因而较 TWB 成形性能更优，经过成形加工后的部件承载能力更好

且明显减轻白车身重量。

图 1-1 连续变截面板的轧制

Fig. 1-1 Rolling of TRB

（3）空心连续变截面管（Tailor rolled tubes, TRTs），是在 TRB 的基础上采

用液压胀形的技术，将 TRB 加工成管径和厚度都连续变化的薄管。如图 1-2 所示，

TRT 横截面积更小，可以代替传统车身矩形截面的承载件，抗压性能、抗扭性能

都更加突出，可用于车身纵梁、横梁、上边梁、A柱、B柱等。尤其是在纵梁上的

应用，出于碰撞安全性的考虑，纵梁最好能够实现刚度的变化，而连续变截面的

TRT 很容易满足这种需要。TRT 的缺点就是制造工艺复杂、成本较高[4]。

图 1-2 连续变截面管

Fig. 1-2 Tailor rolled tubes

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摘要：

摘要连续变截面薄板（Tailorrolledblanks,简称TRB）是通过柔性轧制工艺得到的一种新型板材。其特点是厚度连续变化，后加工成形性能较好，所得零件质量轻、刚性好。目前在欧洲发达国家已开始应用于汽车车身，是解决汽车轻量化的有效途径之一。在零件设计的时候根据承载加载的情况得到板的厚度分布，然后通过柔性轧制工艺得到所需的TRB，用该种变厚度的薄板代替传统的等厚板，从而实现减重。TRB的核心技术是柔性轧制工艺，当前主要由IBF和Mubea合作开发出了柔性轧机，关于TRB的轧制控制技术属于高度保密和垄断。因此，要推广TRB的广泛应用，研究TRB的轧制成形和轧制过程控制就成了关键。首先，基于D...

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