智能化冷彎成型動態(tài)鏈式模型的基本構架研究

李國昌，邸樹綱

（1.河北科技大學經濟管理學院，河北石家莊 050018；2.河北高速公路京秦管理處，河北秦皇島 066001）

智能化冷彎成型動態(tài)鏈式模型的基本構架研究

李國昌1，邸樹綱2

（1.河北科技大學經濟管理學院，河北石家莊 050018；2.河北高速公路京秦管理處，河北秦皇島 066001）

在分析了實際軋制過程和樣條有限條理論后，提出了軋制過程的動態(tài)鏈式模型，研究了實際軋制過程和鏈式結構的對應關系，給出了鏈式結構節(jié)點的孔型應力 －應變數學描述式，并在此基礎上給出了節(jié)點的智能結構。對每個Agent中知識過程和推理方法給出了一般性格式，同時給出了基本的對節(jié)點參數智能化修改的方法。

智能化；冷彎成型；動態(tài)鏈式模型；節(jié)點；Agent

冷彎成型是對板材進行冷塑性加工的方法，具有節(jié)能、成型穩(wěn)定、斷面復雜、功能多等特點。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，成型的模具設計較難掌握。現代冷彎型材生產主要以輥彎成型為主，軋輥的設計至關重要。由于冷彎成型時受影響因素較多，現有的變形理論不能精確地指導孔型設計，所以企業(yè)設計孔型一般采用經驗的方法，而經驗的方法使孔型設計的質量波動較大。避免孔型設計質量波動的方法是加強變形理論的研究，減少經驗因素，量化設計方法，以理論指導實踐。研究孔型設計理論的基礎是建立符合實際的軋制過程模型，利用合理的模型研究軋制過程中應力與應變之間的關系，找出精準的理論才能很好地指導實際孔型設計。

1 實際軋制過程分析

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雜，成型道次越多。圖1是冷彎中梁軋制過程中3個道次的變形示意圖［1］。可以看到，每個成型道次有確定的成型任務，型材在經過成型道次時有較大的變形，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成。在各道次中，型材的變形由軋輥構成的孔型實施，軋輥對型材材料施加的力與變形位移之間的關系，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，在帶長方向（縱向）變化較小的原因，可以先忽略帶長維方向的變量。但又考慮到在帶長方向型材還存在一些變形，這些變形用級數進行補充，簡化級數后得到樣條函數，最后形成型材的樣條有限條應力－應變分析方法。

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，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系，但精確程度較差，而且應力 －應變分析主要集中在一個變形環(huán)節(jié)上，不能建立整個軋制過程相互變形的關系，以致于此理論不能精確地指導孔型設計。若使型材變形的理論研究能夠較精確地指導孔型設計算法，首先必須建立與實際軋制過程相符的模型，然后依據此模型對整個變形過程進行研究。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)關系，因為對于1個變形點上的靜態(tài)對應關系容易獲得數據，而實際軋制過程是在多變形點動態(tài)下完成的，各道次間的動態(tài)聯系沒有被靜態(tài)模型反映出來，所以，單道次靜態(tài)模型不能真實地反映實際軋制過程的受力情況。

2 動態(tài)鏈式模型的建立

根據實際軋制過程，引入數據結構中鏈表的結構，利用鏈表的數學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，道次間作為邏輯鏈，構成一個軋制過程鏈結構模型。模型中，節(jié)點的變形是劇烈的，邏輯鏈的變形是溫和的。根據鋼帶在變形過程中的應力 －應變關系，對模型中的節(jié)點和鏈進行數學描述，對于動態(tài)的和一些不確定的影響因素，用專家知識加以補充和修正。

2.1 鏈式結構

鏈式結構的主體思想來源于計算機科學的《數據結構》內容［2］。鏈式結構由節(jié)點和鏈構成，節(jié)點中儲存著數據和鏈，節(jié)點和節(jié)點之間由鏈來柔性連接，實現構造整個鏈式結構。利用鏈式結構的理論揭示動態(tài)軋制過程特性，會為軋制過程應力 －應變分析找到較好的方法。

2.2 軋制過程與鏈式結構

圖2 軋制道次與鏈表節(jié)點的對應關系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。將各道次的變形數據構成節(jié)點，道次間的變形構成鏈數據，就將實際軋制過程抽象成鏈式邏輯結構，軋制道次與鏈表節(jié)點對應關系如圖2所示。

鏈式結構每個節(jié)點對應著動態(tài)軋制過程的相關道次，鋼帶在道次中的變形機理由節(jié)點中數據域的算式描述，道次間的邊緣拉伸變形由節(jié)點中的鏈域（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，從一個孔型到另一個孔型間的變形較小，主要是拉伸變形。

1）孔型中的動態(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數改為樣條函數。樣條有限條法是針對輥彎軋制型材這一特定情況而建立的應力 －應變分析方法。其目的是為根據要求制造的型材提供孔型設計方法的理論基礎。

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，這一部分是在機架的孔型中完成的。另一部分是機架間的平緩過渡變形，這部分是在機架間完成的，在孔型中變形機理由式（1）描述為［3］

2）機架間鋼帶過渡變形及數學描述 機架間的平緩過渡區(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化的三階樣條函數，表達式如式（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，為了簡化計算要忽略某些因素，而這些因素有可能會使理論模型與實際模型之間出現差異。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驗知識，用以修正理論模型與實際模型之間的差距，使理論模型盡可能逼近實際模型。具體方法如下：

1）對每個變形的有限條設置1個對應的Agent［4］；

2）在每個Agent中設置鏈式節(jié)點知識容器和指針知識容器；

3）利用2個知識容器中的知識修正模型參數。

基本Agent構架如下：

知識修正舉例：在節(jié)點數據區(qū)中放置式（1）、式（2）、式（3）的運算式，式（1）中的y（η）由式（4）給出［5］：

由于C1，C2，C3，C4是ζ的表達式，且ζ＝x／b［3］，實際計算在ζ＝0.2時，C1近似為0.88，C2近似為0.104，但根據專家知識，C1近似為0.65，C2近似為0.31較好，故采用人工知識確定的方法。知識規(guī)則如下：

將ζ＝0.2，C1＝0.88，C2＝0.104，C3＝0.22，C4＝0.16等放在Agent的知識容器中，將判斷語句放在推理機中，完成智能模型的構建。如果上述規(guī)則有問題，可以通過實驗和專家建議進行數據調整。知識規(guī)則來源于試驗和專家的實際經驗，經專家知識修正后，更接近實際軋制過程。在得到較理想的模型后，對軋制過程的機理研究就有了扎實的基礎。

4 結 語

冷彎型鋼的成型過程影響因素多，變化復雜。如何設計出合理的孔型，尤其是軋制斷面復雜的冷彎型鋼的孔型，是冷彎成型領域的難題。筆者在研究了軋制過程和數據鏈表的機理后，提出了建立智能化動態(tài)鏈式冷彎成型軋制過程模型的思想，主要是利用鏈表的理論建立軋制過程模型，從而動態(tài)描述軋制過程，為了使模型更逼近于實際，在模型中加入了人工智能的修正。

［1］ 馬立冬.輥彎成型過程數值模擬及網絡化研究［D］.秦皇島：燕山大學，2009.

［2］ 嚴蔚敏，吳偉民.數據結構［M］.北京：清華大學出版社，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，1996.

［4］ 谷曉英，李國昌，劉林志，等.Agent在代理對象應用中的研究［J］.河北科技大學學報（Journal of Hebei University of Science and Technology），2009，30（3）：215－218.

［5］ 李 萍，李法朝.基于決策樹的知識表示模型及其應用［J］.河北科技大學學報（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；責任編輯：李 穆

河北省自然科學基金資助項目（E2011208014）；河北省科學技術研究與發(fā)展計劃項目（11457202－8）

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