船用型材矫直机的工艺参数确定方法、装置及电子设备与流程

1.本发明涉及矫直机技术领域，具体涉及一种船用型材矫直机的工艺参数确定方法、装置及电子设备。


背景技术：

2.球扁钢、角钢、扁钢等型材，在造船行业中有着广泛的应用，虽然这些型材在从钢厂出厂前一般都经过了矫直并且检验合格，但是其在从钢厂运输至船厂，以及在船厂内流转、存放的过程中，由于放置不当、内部残余应力逐渐释放等多种原因，这些型材都会产生一定程度的变形。过去，在造船行业普遍采用人工焊接的时候，型材的平直度对装配和焊接的影响较小，并且能够通过人工校直或者火工作业的方式达到焊接的要求。但是如今，造船行业自动化进程在不断推进，焊接自动化工艺在各行各业被广泛应用，同时随着国际社会碳排放法规的逐步实施，造船行业普遍使用的火工作业也面临着被逐渐禁止的境地。船舶制造对于型材的平直度也提出更高的要求，因此在造船行业中，增加型材矫直工序是非常必要的。目前缺乏确定船用型矫直机的工艺参数的方法，以实现船用型材的矫直。


技术实现要素：

3.有鉴于此，有必要提供一种船用型材矫直机的工艺参数确定方法、装置及电子设备，用以确定船用型矫直机的工艺参数，以实现船用型材的矫直。
4.为了实现上述目的，本发明提供了一种船用型材矫直机的工艺参数确定方法，包括：获取矫直辊弯曲变形对应的弯曲曲率、弯矩、弯曲变形能及压弯扰度；基于矫直辊弯曲变形对应的弯曲曲率、弯矩、弯曲变形能及压弯扰度，确定矫直机的结构参数和力能参数；基于所述结构参数和所述力能参数，构建矫直机模型；获取船用型材在多个矫直方案中矫直机对应的工艺参数，并将所述工艺参数输入至所述矫直机模型，以对所述船用型材进行矫直试验，得到试验结果；基于所述试验结果，从所述多个矫直方案中确定目标矫直方案以及所述目标矫直方案中矫直机对应的工艺参数。
5.进一步地，所述获取矫直辊弯曲变形对应的弯曲曲率、弯矩、弯曲变形能及压弯扰度，包括：基于船用型材在弯曲变形过程中的曲率变化情况，确定矫直辊弯曲变形对应的弯曲曲率、弯矩、弯曲变形能及压弯扰度。
6.进一步地，所述基于船用型材在弯曲变形过程中的曲率变化情况，确定矫直辊弯曲变形对应的弯曲曲率、弯矩、弯曲变形能及压弯扰度，包括：基于所述曲率变化情况，确定所述船用型材的原始弯曲半径和反向弯曲对应的曲率半径，并基于所述原始弯曲半径和所述反向弯曲对应的曲率半径，确定弯曲曲率；
基于所述曲率变化情况，确定所述船用型材的矫直力及所述船用型材的各处截面的弹区比，基于所述船用型材的矫直力及所述船用型材的各处截面的弹区比，确定弯矩；所述弹区比为所述船用型材的弹性区厚度与总厚度的比值；基于所述船用型材的矩形端面宽度、距离中性层目标点处的应力以及弯矩，确定弯曲变形能；基于所述船用型材的原始弯曲曲率比以及反向压弯曲率比，确定压弯扰度。
7.进一步地，所述结构参数，包括矫直机中矫直辊对应的辊数、辊径、辊距和辊长；所述力能参数，包括矫直机的矫直力、轴承压力、矫直辊转矩和驱动功率。
8.进一步地，所述基于矫直辊弯曲变形对应的弯曲曲率、弯矩、弯曲变形能及压弯扰度，确定矫直机的结构参数和力能参数，包括：基于所述反向压弯曲率比与所述原始弯曲曲率比，确定所述矫直机所需的矫直曲率比，并基于所述矫直曲率比，确定所述矫直机所需的辊数；基于矫直辊的目标压弯量、船用型材的咬入条件、矫直辊的强度条件以及船用型材断面形状，确定矫直辊的辊径、辊距和辊长；基于矫直机工件的弹性极限弯矩、各矫直辊的弯矩比以及辊数，确定矫直机的矫直力；基于所述矫直力以及矫直机的尺寸数据，确定轴承压力；确定矫直辊需要克服的阻力，并确定矫直转矩，且基于矫直辊需要克服的阻力以及所述矫直转矩，确定矫直辊转矩；基于矫直速度、矫直机的总传动效率、矫直辊转矩以及矫直辊半径，确定驱动功率。
9.进一步地，所述基于所述结构参数和所述力能参数，构建矫直机模型，包括：基于所述结构参数和所述力能参数，确定矫直机的主轴强度、主轴刚度、扭转强度、弯扭合成强度以及剪切强度；基于矫直机的主轴强度、主轴刚度、扭转强度、弯扭合成强度以及剪切强度，构建矫直机模型。
10.进一步地，所述工艺参数包括矫直机移动辊对工件的压弯量和矫直辊的轴向调节量。
11.本发明还提供一种船用型材矫直机的工艺参数确定装置，其特征在于，包括：获取模块，用于获取矫直辊弯曲变形对应的弯曲曲率、弯矩、弯曲变形能及压弯扰度；第一处理模块，用于基于矫直辊弯曲变形对应的弯曲曲率、弯矩、弯曲变形能及压弯扰度，确定矫直机的结构参数和力能参数；构建模块，用于基于所述结构参数和所述力能参数，构建矫直机模型；试验模块，用于获取船用型材在多个矫直方案中矫直机对应的工艺参数，并将所述工艺参数输入至所述矫直机模型，以对所述船用型材进行矫直试验，得到试验结果；第二处理模块，用于基于所述试验结果，从所述多个矫直方案中确定目标矫直方案以及所述目标矫直方案中矫直机对应的工艺参数。
12.本发明还提供一种电子设备，包括存储器和处理器，其中，
所述存储器，用于存储程序；所述处理器，与所述存储器耦合，用于执行所述存储器中存储的所述程序，以实现如上述任意一项所述的船用型材矫直机的工艺参数确定方法中的步骤。
13.本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项所述的船用型材矫直机的工艺参数确定方法。
14.采用上述实现方式的有益效果是：本发明提供的船用型材矫直机的工艺参数确定方法、装置及电子设备，通过获取矫直辊弯曲变形对应的弯曲曲率、弯矩、弯曲变形能及压弯扰度；基于矫直辊弯曲变形对应的弯曲曲率、弯矩、弯曲变形能及压弯扰度，确定矫直机的结构参数和力能参数；基于所述结构参数和所述力能参数，构建矫直机模型；获取船用型材在多个矫直方案中矫直机对应的工艺参数，并将所述工艺参数输入至所述矫直机模型，以对所述船用型材进行矫直试验，得到试验结果；基于所述试验结果，从所述多个矫直方案中确定目标矫直方案以及所述目标矫直方案中矫直机对应的工艺参数。
15.本发明通过结合船用型材本身的特性，选择使用基于矫直曲率的弯曲理论模型，确定型材矫直过程中的各种力学和几何参数的变化，并根据这些变化规律计算出船用型材矫直机的各项结构参数和力能参数，从而完成了矫直机模型的结构设计。随后根据理论计算得到矫直过程的工艺参数以及各种型材的工艺参数计算方法，并将这些参数输入矫直机模型进行实际型材的矫直试验，从而得出其参数的有效性，将有效的参数用以实现船用型材的矫直。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明提供的船用型材矫直机的工艺参数确定方法的一实施例的流程图；图2为本发明提供的弯曲应力与应变的分布模型示意图；图3为本发明提供的弯曲时的曲率示意图；图4为本发明提供的弯曲变形图；图5为本发明提供的矩形截面型材弯曲时的应力应变图；图6为本发明提供的矩形截面型材的变形情况示意图；图7为本发明提供的型材矫直机的辊系示意图；图8（a）为本发明提供的型材咬入时的力学模型示意图之一；图8（b）为本发明提供的型材咬入时的力学模型示意图之二；图9为本发明提供的矫直机矫直力的力学模型示意图；图10为本发明提供的矫直机主轴的受力模型示意图；图11为本发明提供的矫直机主轴的受力分析示意图；图12为本发明提供的双列圆锥滚子轴承结构图；图13为本发明提供的各辊处压弯挠度与压弯量之间的关系示意图；图14为本发明提供的船用型材矫直机的工艺参数确定装置的一实施例的原理框
图；图15为本发明提供的电子设备的一个实施例结构示意图。
具体实施方式
18.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.在本技术实施例的描述中，除非另有说明，
ꢀ“
多个”的含义是两个或两个以上。
20.本发明实施例中术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或模块，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
21.在本发明实施例中出现的对步骤进行的命名或者编号，并不意味着必须按照命名或者编号所指示的时间/逻辑先后顺序执行方法流程中的步骤，已经命名或者编号的流程步骤可以根据要实现的技术目的变更执行次序，只要能达到相同或者相似的技术效果即可。
22.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其他实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其他实施例相结合。
23.本发明提供了一种船用型材矫直机的工艺参数确定方法、装置及电子设备，以下分别进行说明。
24.如图1所示，本发明提供一种船用型材矫直机的工艺参数确定方法，包括：步骤110、获取矫直辊弯曲变形对应的弯曲曲率、弯矩、弯曲变形能及压弯扰度；步骤120、基于矫直辊弯曲变形对应的弯曲曲率、弯矩、弯曲变形能及压弯扰度，确定矫直机的结构参数和力能参数；步骤130、基于所述结构参数和所述力能参数，构建矫直机模型；步骤140、获取船用型材在多个矫直方案中矫直机对应的工艺参数，并将所述工艺参数输入至所述矫直机模型，以对所述船用型材进行矫直试验，得到试验结果；步骤150、基于所述试验结果，从所述多个矫直方案中确定目标矫直方案以及所述目标矫直方案中矫直机对应的工艺参数。
25.可以理解的是，型材的矫直，实际上是利用矫直辊的交错压弯，使型材产生连续反弯的过程。
26.本发明具体地：以弯曲变形过程中的曲率变化为基础，建立了型材矫直的理论模型，得出了弯曲变形中曲率、弯矩、能量、挠度之间的相互关系，为后面的实际计算提供了理论基础；结合工程实际中的型材范围和原始数据，计算了船用型材矫直机的各个结构参数，包括辊系、辊径、辊距、辊长等，同时计算了矫直机的各力能参数，包括矫直力、轴承压ht
区域的应力为：σz=σ
t
（2-4）1.1弯曲变形与曲率：现在从型材上截取一个如图3所示的微小的单位弧长，将原始弯曲半径设为，其弧长为1，所对的弧心角为，则这三个参数互相之间的关系为：（2-5）弧线的曲率也可以用表示，但是其量纲变成。因此曲率同样可以用表示，计算曲率时，按照角度概念来运算比较方便，因此曲率均按照曲率角来计算。现在按照图3所示的状态对工件进行反向弯曲，使其达到的状态，反向弯曲所形成的曲率半径为，对应的反弯曲率为：（2-6）因此工件从状态反弯至，总的曲率（角）变化量为（2-7）在这个变化过程中，这一段弧线的曲率角先从逐渐变为0，再由0逐渐变为，对应的曲率半径则从逐渐变为无穷大，再从无穷大逐渐变为。当外力卸除后，工件中所储存的弹性势能将被释放出来，工件会发生一定程度的回弹。由于上述的弯曲变形过程中发生了弹塑性变形，因此工件发生了一定量的永久变形，弹复动作无法完全恢复到原始状态，只能返回到状态，此对应的弧心角为，称为残余曲率（角）。工件从弹复至的过程中，其曲率（角）从变为，这一曲率减小量称为弹复量，用表示，那么（2-8）工件弹复后将处于一种稳定状态，并产生无法恢复的永久性变形，这一永久变形对应的曲率（角）称之为塑性弯曲曲率（角），记为，那么可以得到（2-9）当原始弯曲和压弯方向同向时，记为负值。当工件原本就是平直状态时，记为0。
31.当工件反弯后变直时，即残余曲率，那么可以得到（2-10）这就是矫直曲率方程式，它的意义是，如果要使工件矫直，那么所使用率的反弯曲率必须等于弹复曲率。
32.现在使用几何方法，将曲率变化与金属内部片层的微变形联系起来。研究单位长
度的工件mn，以中性层mn为分界，在弯曲的过程中，中性层处的金属不发生变形，其上方的金属纤维发生拉伸变形，其下方的金属纤维发生压缩变形。按照平截面原则，各片层金属纤维的变形量正比于该层和中性层之间的距离。设弯曲半径为ρ，曲率（角）为a，那么可以利用几何条件得出各处金属纤维的变形量和其与中性层之间的距离z之间的关系（2-11）这个变形量相当于半径为z，弧心角为a的弧长，为了能够更直接在工件图形中反映变形与曲率的关系，可在工件图形上作斜截线，其与pq夹角为α，且tan α=a，那么可以得到（2-12）同理可以得到边层纤维变形为（2-13）这两个结果与前面的推导一致，说明弯曲变形不仅可以通过力学方法计算，也可通过几何方法分析。参照之前的力学分析，可以对应的得到边层纤维总变形量为：（2-14）塑性变形量为：（2-15）弹复变形量为：（2-16）残余变形量为：（2-17）以上这些变形值，也可以通过作图法表示，如图4所示，图中原始弯曲的作图角，反弯量的作图角，总弯曲的作图角为，弹复量的作图角为，残余量的作图角为。弯曲应力是按照超过弹性极限后达到应力平台状态来设定的，也就是应力保持为不变。前文所述的各种变形量均可以在此图中相应表示出来。
33.同样根据平截面原则，当工件处于反弯状态时，原始截面变形至，表示边层纤维的变形，各层的变形量和该层与中性层之间的距离呈线性递减关系，并在中性层处减为零。在处的变形为，且自此处至边层的应力为，而在弹性区范围内的应力，则是遵循胡克定律而呈线性变化。图4中表示应力随厚度的变化。
34.现在，从应力的角度来分析各层的变形。先假设所有纵向纤维的变形都是互不干扰的，那么当载荷卸除时，将弹复至，其弹复量为，而区域内纵向纤维的变形只
含有弹性变形，因此区域内的变形会完全恢复。这样弹复后断面将只残留于三角形内的塑性变形，断面呈现为的折面，这就会违背平截面原则。因此在各层变形的互相约束下，区域将有超量的弹复量，从而弹复至，则无法完全弹复至原始状态，从而弹复至，此时断面弹复至并保持平截面状态。
35.以上分析可以看出，当工件反弯弹复后处于残余变形状态时，内部还存在着，两个
△
和两个
△
这样的不可见变形状态。由于的折线变形状态无法实际存在，各层的金属纤维互相牵引而被迫变成状态后，的两侧形成上述的两个
△
和两个
△
的变形，并且这两个
△
区域的变形和应力呈现一种对称状态，即其大小相等，方向相反。这部分的变形就是残余变形，而其内应力，就是残余应力。
36.1.2弯曲变形与弯矩：矩形截面型材弯曲时的应力应变图如图5所示：弯矩可使用材料力学的方法从中性层向上下两侧积分。以弹性区边界，即距离中性层的位置为分界，在以内，应力随与中性层的距离线性增加，而超过以后，应力达到弹性极限，保持为不再增加，因此积分应分两段进行：（2-18）将代入后积分可得到：（2-19）由于矩形截面的弹性极限弯矩为，此式中为矩形断面的抗弯截面模量w，因此在实际计算时，对于矩形断面和类矩形断面，可近似认为，在此设，称为弹区比，即弹性区厚度与总厚度的比值，那么代入上式可得到：（2-20）同样设总弯曲曲率与弹性极限曲率的比值为：那么根据弯曲变形的曲率关系可以得到：（2-21）因此，
（2-22）因而弯矩与曲率比的关系式为：（2-23）定义，称为弯矩比，那么上两式可改写为：（2-24）（2-25）当型材内所有金属纤维达到弹性极限状态时，这一弹性区将不复存在，即，则，达到极大值，这个的极大值，一般称为塑性极限弯矩比，用表示，。但是对于实际矫直过程来说，仅是一个理论值，实际上在达到值之前，外层的纤维已经发生断裂，截面已经发生畸变，导致截面模数变小。在实际矫直工艺中，一般当截面上有80%产生塑性变形时，就已经能够满足多数情况下的矫直过程。因此在此约定最小值为0.2，用此值得到实际的最大矫直弯矩比为：（2-26）现在分析弯曲变形过程中的外力矩，对于辊式矫直机，并不存在两个固定的支点，矫直力一般作用在矫直辊上，并将该辊两侧的两个零弯矩点视为支点。现设矫直压力为f，作用于点o，两个零弯矩点之间的距离为l，那么可以得到矫直力为：（2-27）由于矫直力的变化区间为：（2-28）其中，称为弹性极限弯曲力，，称为最大矫直力。
37.设与矫直力作用点o距离为x处弯矩值为，则：（2-29）相对应的内力矩可以写为：（2-30）式中，为x处的弹区比。
38.由内外力矩平衡可以得到：
（2-31）即，（2-32）此式可称为在某一确定矫直力f作用下的关系式，由此可以得到各处截面的弹区比，并进而可得到各处弯矩。
39.1.3弯曲变形与能耗：金属型材在外部载荷（弯矩或压力）作用下发生弯曲变形时，外部载荷做功耗费的能量有3个去向：一个是成为弹性变形储存的势能；一个是用于产生塑性变形；还有一个是弯曲过程中产生热量而散失。热量在其中占比非常少，一般忽略不计，只考虑弯曲变形（包含弹性变形和塑性变形）所需的能量。在型材矫直这一弹塑性变形过程中，弯曲变形会逐渐从纯弹性变形转变为弹塑性变形。弹性变形属于一种储能变形，会在连续矫直过程中逐渐释放掉，塑性变形则是不可恢复的永久变形，因此变形过程中的耗能主要是由塑性变形决定的，必须分开计算弹性变形和塑性变形的耗能和弹复量。现以矩形断面为例来讨论其计算方法。
40.弯曲变形的能耗为弯矩m与角位移a乘积的积分，由前面的内容可知矩形断面的弯矩式为：（2-33）将代入上式得到：（2-34）矫直变形能是弯矩m与曲率a乘积的积分，这一变形能又可以分为弹性变形能和塑性变形能。因此，单位长度矩形截面型材的弯曲变形能可以表达为：（2-35）式中第一项积分也即是弹性极限变形能，用表示，即：
（2-36）对于矩形型材有以及，因此，（2-37）用去除式可得到：（2-38）或（2-39）当工件反弯至后，卸除外力，此时工件必然依照图中的斜虚线的趋势回弹至，同时将弹复变形能释放，这一弹复变形能可以用该斜虚线与x轴围成的三角形的面积表示，即：（2-40）而弹复过程完全遵循胡克定律，因此弹复曲率可写作：（2-41）因而上式可变为：（2-42）或者，（2-43）弹复时的能量会释放给矫直机，其中大部分能量会推动矫直过程的进行，小部分能量会转变成热量散失。因此，可以写出矫直过程中的矫直能量：（2-44）
即，（2-45）因而当时，，。即弹复能量比纯弹性弯曲能量大48%，矫直时塑性变形所需能量达到纯弹性弯曲能量的10倍。为了方便分析，进一步设定弹复能量比为，矫直能量比为，则：（2-46）（2-47）的关系和的关系具有相同的内涵，。从式2-46和2-47可得出：时，，故，此时，即，说明此时属于纯弹性弯曲，塑性变形能为0。时，，已失真，实际上当时，才具有实际的矫直意义。
41.现在，再来进一步分析型材弯曲时每根纵向纤维的变形情况。已知弹性区域内的各条纤维变形为纯弹性变形，在其余弹塑性变形区域内也包含有弹性变形，其变形情况如图6所示。
42.图6中左侧两条交叉直线代表弹性极限弯曲时的应力应变曲线，在过o点垂线的逆时针方位内的斜线为变形图线。左边的
△
oab代表中性层上方各纤维的弹性变形的总和；上下两侧两个
△
的变形能为。两个o123梯形区域代表中性层上方所有纤维弹性变形能的总和。它不再等于，而需重新计算。这里将能量表示为应力与线位移乘积的积分，则全断面的弹性变形能可以写作：（2-48）式中，b—矩形端面宽度；—距离中性层z处的应变，；—距离中性层z处的应力，；由于及都是z的函数，从而可得出积分结果：（2-49）或（2-50）
此式表明：当时，；当时，。可见在弯曲程度很大时，伴随塑性变形而产生的弹性变形能量比纯弹性弯曲的变形能大得多。至于纯塑性变形也可由图6中235三角形面积来计算，即（2-51）经过积分和整理后得到（2-52）即（2-53）于是总的弯曲变形能为（2-54）与式2-39相同，这是殊途同归的结果。其中的与并不相等，也就是说弹性变形能并未全部用于弹复工作。因为根据式（2-55）当时，能量差，说明有剩余能量。从图6中弹复变形线两侧的阴影区域面积可以看出：表层的弹塑性变形本应由1返回到2，而实际却返回到4，部分就是超出的变形。而从处又可看到未完成的变形，该处本应由1处返回到3处，但是实际只返回到了6。因此24之间鄂阴影区域面积所代表的超出的变形和36间所代表的未完成的变形，都是卸除外力后的变形，统称为残余变形。残余变形只可能是弹性变形，它是残余应力的载体。这个能量保存在金属内部，它的数值应该是前面计算出的值。只要残余内应力的平衡不被打破，这个内能就不会释放。
43.1.4弯曲变形与挠度：弯曲变形过程中的压弯挠度计算，基本上是采用材料力学的方法。首先设型材的原始弯曲挠度为，若想将型材矫直，就需要在原始弯曲最大的部位对型材进行反向压弯。反向压弯过程中纵轴上的微小线段dx可以看作是挠曲的弧长。设x处的曲率为a
x
，曲率半径为，那么就可以计算出x处工件截面转角的变化量为：（2-56）此处的挠度变化量为：
（2-57）依据平截面原则，省略剪切变形，那么外力作用点处的挠度为：（2-58）分别设型材的原始弯曲曲率比和原始挠度为和，同样设反向压弯的曲率比和挠度为和。那么总的曲率比变化量为，总的弯曲挠度变化量为，代入上面的积分式中，即：（2-59）也就是，（2-60）由于中的值的变化范围较大，有的时候甚至会出现的情况，因此为了减少积分的误差，提高计算精度，现在用两次解析算法来计算反弯挠度。
44.首先，用解析法计算出弹复挠度，此值为精确值，使用材料力学公式可计算出：（2-61）其中，因此。
45.由于工件的原始弯曲程度在长度上并不一致，因此在经过一次反弯后，大的原始弯曲部分残余弯曲较小，弹复力较大；而小的原始弯曲部分残余弯曲较大，弹复力较小。在此以弹复曲率比的值来进行区分。
46.当时，说明残余曲率，此时残余挠度可以按照弹性原则来计算，即（2-62）而，，因此压弯挠度为。
47.设压弯挠度比为，那么当时，。
48.当时，此时反向压弯产生的弯曲已经超过了工件的弹性弯曲极限。此时反弯产生的弯矩为，那么。
49.在反弯的过程中，外加载荷作用点（也就是两个零弯矩点的中点）处的弯矩为，任意点的弯矩为。那么弹性极限弯矩点的位置在处，此处的挠度为：
（2-63）从到中点的区域为塑性弯曲部分，长度为，那么使用式2-58的积分式可以求得：（2-64）根据前面的内容，可知对于矩形截面型材，与x/l存在函数关系。而与同样存在函数关系，即，因此；而。从而可以得到：（2-65）代入式2-64可以得到：（2-66）前面已知，因此，（2-67）对应的，，因此可得：（2-68）由于，因此上式中的；而；故，（2-69）定义为压弯挠度比，那么，
（2-70）由于，因此式2-70可以写作：（2-71）由于，，那么式2-71可以写为：（2-72）式中，为弹复挠度比；为残余挠度比。
50.而（2-73）因此可完全变成由和的表达式，为原始弯曲曲率比，为已知值，从而可完全根据计算出相应的值。进而根据计算出对应的压弯挠度，从而完成后续的工艺参数计算。
51.在一些实施例中，所述结构参数，包括矫直机中矫直辊对应的辊数、辊径、辊距和辊长；所述力能参数，包括矫直机的矫直力、轴承压力、矫直辊转矩和驱动功率。
52.进一步地，所述基于矫直辊弯曲变形对应的弯曲曲率、弯矩、弯曲变形能及压弯扰度，确定矫直机的结构参数和力能参数，包括：基于所述反向压弯曲率比与所述原始弯曲曲率比，确定所述矫直机所需的矫直曲率比，并基于所述矫直曲率比，确定所述矫直机所需的辊数；基于矫直辊的目标压弯量、船用型材的咬入条件、矫直辊的强度条件以及船用型材断面形状，确定矫直辊的辊径、辊距和辊长；基于矫直机工件的弹性极限弯矩、各矫直辊的弯矩比以及辊数，确定矫直机的矫直力；基于所述矫直力以及矫直机的尺寸数据，确定轴承压力；确定矫直辊需要克服的阻力，并确定矫直转矩，且基于矫直辊需要克服的阻力以及所述矫直转矩，确定矫直辊转矩；基于矫直速度、矫直机的总传动效率、矫直辊转矩以及矫直辊半径，确定驱动功率。
53.可以理解的是，矫直的工件范围及精度要求：
矫直机所适用的工件包括球扁钢、等边角钢及扁钢，要求矫直速度达到25m/min，矫直后型材直线度达到1mm/m，且全长（16m）范围内不超过10mm。
54.其中，球扁钢的范围为：bp80~bp280；角钢的范围为：75*75*5~140*140*16；扁钢的范围为：80*5~260*16；各种类型型材截面的最大截面模量及主惯性矩如表3-1：表3-1 矫直工件规格范围及参数辊系的选择：平行辊矫直机有很长的发展历程，针对不同的用途，发展出了很多各式各样的辊系结构。图7所示的辊系是型材矫直常用的辊系，由一排上辊和一排下辊组成，上辊可以单独调整，可以在同一台设备上实现各种压下方案。
55.图7所示的辊系同样可分为两种类型，分别为图中所示的上辊压下型和下图所示的下辊压上型。
56.辊数的选择：辊数很大程度上取决于矫直方案。矫直方案主要分为大变形方案和小变形方案，一般大变形方案比较适合高韧性、小断面高度，最大塑弯比值较大的型材；小变形方案则相反。常用的矫直方案主要分为三种，第一种是小变形矫直方案，这种方案通过矫直曲率方程式精确计算出矫直型材任意位置的变形所需要的压弯量，进而计算出各辊处的压弯量；第二种是大变形小残差矫直方案，这种方案是先使用较大的压弯量使型材的弯曲方向一致且曲率接近，然后按照这个一致的弯曲曲率来计算反弯的压弯量，使型材达到矫直的目的；第三种是线性递减方式，一般将倒数第二辊处压弯曲率按照型材的弹性极限曲率设定，并反向向前线性递增。根据第二辊的压弯量不同，既可属于大变形矫直方案，也可属于小变形矫直方案。
57.小变形矫直方案所需辊数以矩形断面为例来进行定量计算，其矫直曲率比方程可参照式1-35写出为：（3-1）或（3-2）在已知原始曲率的情况下，可以通过这条曲线很容易找出所需的矫直曲率比。在
型材矫直过程中，第一次反弯需要矫直原始曲率最大的部位，但是在这个过程中也会把型材原本存在的直线段压弯，并成为下一辊处的最大原始曲率。像这样一次一次的逐步进行矫直，直到残余曲率满足矫直的质量要求，这样就完成了整条型材的矫直。整个过程所需的辊数就是理论辊数。
58.首先需要计算出初次矫直，也就是矫直原始弯曲所需要的压弯曲率比。残余曲率的表达式为（3-3）根据以上2式便可以定量的计算辊数。
59.由于矩形断面的弹性极限曲率为（3-4）式中h为断面高度，弹性模数e与弹性极限这两个参数都与断面尺寸无关，因此式3-4可以适用于所有的对称截面。
60.以最难矫直的最大等边角钢为例作定量计算：其等效矩形断面的高度为99mm。
61.（3-5）代入，，h=99mm，则。
62.按照型材初始变形量为80mm/m计算，则；那么。
63.第一次反弯时，被矫直，此时，代入式2则；第二次反弯时，被矫直，此时，代入式2则，对应；第三次反弯时，取，代入式2则；第四次反弯时，取，代入式2则；第五次反弯时，取，代入式2则；此时，按照第五次反弯时的残余曲率比计算残余变形量，为0.12mm/m，已可满足要求。
64.因此，5次反弯即可矫直型材，也即是7辊辊系可以满足高精度矫直要求。用这种方法定出的辊数是精确数值，但是考虑到此矫直机需要满足的型材规格范围较大，对于小规格的型材，因前段反弯量巨大，非常容易造车型材咬入困难，而尾端过大的反弯量，又容易造成型材下垂，难以与输送线顺畅连接，因此在7辊辊系的基础上，在前端与后端各增加一对辊轮，以改善小型材的咬入及输出状况。
65.综上，按照小变形方案，选择上6固定辊+下5升降辊的11辊辊系。
66.大变形方案一般经过3次反弯即可达到矫直效果，也就是5辊辊系。但是随着矫直
精度需求和工件强度的提高，辊数也必须随之增加，因此现代矫直机已经很少见到5辊式或者6辊式。
67.本发明中考虑到可同时实现多种规格型材的矫直，可能需要选择不同的矫直方案，因此按照小变形矫直法计算的辊数是可靠的。
68.辊径、辊距和辊长的计算：矫直辊的主要功能是使工件发生达到目标压弯量。同时型材的咬入条件和矫直辊的强度条件也需要考虑到矫直辊的设计中。根据型材断面形状的不同，矫直过程所选择的压弯曲率和弹性极限曲率的倍数关系也不同。
69.上述的曲率倍数，也就是压弯曲率比。因此用值即可计算出矫直曲率，矫直曲率半径就是其倒数，也就是，矫直过程中的曲率半径为（3-6）矫直辊的半径应当不大于矫直过程中的曲率半径，即矫直辊的直径。
70.（3-7）式中值在前面已经大致分成3类：断面集中型（菱形、圆形断面）：；断面均匀型（方形、矩形断面）：；断面集边型（工字形、管形断面）。
71.从工件的材质上面来考虑，对于强度越高、强化特性越大的材料值要取较大值。
72.从矫直辊的接触强度考虑，在型材被矫直过程中，存在于矫直辊和型材之间的压力，既可能使矫直辊表面产生疲劳剥蚀，也可能使型材表面产生过大的塑性变形而发生截面畸变。因此，需要使用接触应力来限制矫直辊的辊径。即：（3-8）式中f为最大矫直力，e为弹性模量，b为型材与矫直辊的接触宽度，r为矫直辊半径。
73.第二章中讨论过矫直力的计算。当辊距为p、工件的弹性极限弯矩为m
t
时，。代入d=2r，p=1.15d，，，代入上式整理可得：（3-9）从型材的咬入条件考虑。由于辊距直接和辊径相关，而辊距大小又会影响到型材的咬入。当辊距过大时，要达到同样的矫直曲率，必然使用更大的压弯量，进而使辊缝减小，不利于型材的咬入。图8（a）和图8（b）为咬入时的力学模型。
74.设咬入端的压弯量为e，在矫直机入口处的压弯量应以咬入为主，不宜产生过大的弯曲，稳妥起见，按照弹塑性变形的最大压弯量来设置压弯挠度比，即，此时挠度，可得：（3-10）按照以及，代入可得压弯量：（3-11）由图8（a）和图8（b）的受力分析可知，矫直辊作用在型材上的咬入力p由上辊与工件端部之间摩擦力的水平分力p
x
和下辊与工件之间的摩擦力f
x
组成。而反咬入力是工件端部对矫直辊的顶撞力的水平分力n
x
，如果想要型材顺利的咬入，那么咬入力必须大于反咬入力，即：（3-12）矫直辊与工件之间的法向压力为n和fy，摩擦系数为，辊子对工件的咬入角为，那么：；；；代入式中，则咬入条件可改写为：（3-13）对于此力学模型，工件与矫直辊之间的各垂直分力处于平衡状态，即：（3-14）再代入咬入条件不等式，则：（3-15）（3-16）由咬入时的几何条件可知，，，取，代入上式，则：（3-17）解此二次不等式得到一个合理解，即，代入前面的e值，则：（3-18）代入和，则：
（3-19）分别将3种型材的截面尺寸代入上述3个条件，可得，辊距将辊距取整，即p=700，那么对应的d=583，取整为d=580。
75.综上，选择辊径d=580，辊距p=700。
76.辊长主要和型材的宽度相关，最大的型材宽度为280，同时考虑到球扁钢矫直辊需要一定的挡边来咬住型材，取1.2倍系数，即辊长为340mm。
77.1.5矫直机的力能参数计算：辊式矫直机的力能参数主要包含矫直力、工作转矩和驱动功率。确定矫直方案以后在已知原始曲率的条件下，就能够确定矫直机各辊处的压弯曲率。从而进一步计算出矫直力、工作转矩及驱动功率等力能参数。由矫直力产生的轴承压力，则会影响到矫直机主轴轴承的选型和结构设计。
78.此处分别计算矫直力，轴承压力，矫直辊转矩，驱动功率这几个力能参数数据。
79.矫直力：前面讨论的矫直方案决定了矫直过程中矫直力的大小。同样以最难矫直的角钢为例，原始曲率比。
80.按照小变形方案矫直时，每次的残余曲率比值均小于1，因此，即压弯挠度值为。其中可以通过原始曲率计算出来，因此在已知总曲率比后，即可计算出弯矩：。这里的值对每次压弯来说都不相等，实际上是前一次压弯所产生的最大残余曲率比，发生在平直部位被压弯的地方。
81.按照大变形方案矫直时，则可能出现残余曲率比的情况。需要用式来计算压弯挠度比。当设定较大压弯值时，既可以计算出压弯挠度，也可以计算出其弯矩。由于大变形矫直方案所设定的较大，一般为3~5，因此在计算中可将值忽略不计，造成的误差非常小。因此。
82.按照线性递减方案压弯时，在大压弯阶段仍需使用式和式或，及等结合起来作出曲线。
83.曲线中的直线部分非计算结果，是人为连接的。然后按照线性递减方案设定的值或值，从图中找到相应的值，使用该值即可计算出相应的值。如简化计算，则有：
（3-20）计算出各辊处的弯矩值后，可以按照连续梁的三弯矩方程式写出任意辊处的矫直力表达式，即第i辊处的矫直力为：（3-21）也可以理解为弹性极限弯曲时矫直辊处的支点力，并用表示，则上式变为：（3-22）则各辊矫直力的绝对值之和为：（3-23）取最大的型材，也就是角钢来计算。按照线性递减原则，第一次反弯，考虑咬入条件，取，此时，；第10辊处，须考虑型材的输出情况，保证型材能够顺畅输出，取，此时，；第3~9辊处的反弯挠度比按线性递减来取值，并根据曲线来获得对应的反弯曲率比，再通过式计算出对应的弯矩比。
84.将各辊处的反弯挠度比，反弯曲率比，弯矩比分别在表3-2列出：表3-2 各辊的挠度比、曲率比及弯矩比由前述内容可知，，将b=45mm，h=99mm，mpa，w=56.4cm3代入，可求得：轴承压力：矫直过程中作用在矫直辊上的矫直力，直接作用到主轴轴承上。对于型材矫直机，
通常采用悬臂式结构，其受力状态如图9。
85.根据简单的力学公式可推导出：（3-24）（3-25）（3-26）因此轴承受力综合为：（3-27）最终设计的矫直机对应的尺寸a=385mm, b=796mm;结合上一小节计算出的矫直力，可求出轴承压力为：矫直辊转矩：在矫直力的作用下，工件塑性变形会产生阻力，辊面和工件之间的滚动摩擦力也属于阻力，主轴轴承的摩擦力也属于阻力，这些阻力的和就是矫直辊需要克服的阻力。
86.（3-28）式中为工作侧轴颈直径；为驱动侧轴颈直径；为工件与辊面之间的滚动摩擦系数，对于型材而言一般为；为轴承的摩擦系数，尼龙轴承的，青铜轴承的，滚动轴承的。
87.在工件矫直的全过程中，由于弹性变形会反复吸收和释放能量，因此几乎不会消耗能量。塑性变形和残余变形是能量消耗的主要来源。若设这两种变形所需的转矩为，那么矫直辊转动角后，所消耗的能量为，此时工件走过的长度为，其中r为矫直辊的半径。由第二章中的推导可知工件单位长度矫直所需的矫直变形能为。
88.因此可写出如下等式：（3-29）即，（3-30）设第辊处的转矩为；单位长度矫直变形能为，那么总的矫直转矩为：
（3-31）那么矫直辊的总转矩为：（3-32）由前述内容可知，；设单位长度矫直能量比；那么，根据前述的各辊处反弯曲率比，即可计算出矫直能量比，将各辊处的矫直能量比列入表3-3：表3-3 各辊的单位长度矫直能量比因此，而单位长度的弹性极限能。
89.将b=45，h=99，e=206000mpa，mpa代入，得到u
t
=4290j/m;进而求得单位长度内的矫直能量为：矫直转矩：再来计算摩擦转矩：又后续主轴的计算可知da=180mm,db=140mm;取工件与辊面之间的摩擦系数f=0.0009，主轴轴承一般选择双列圆锥滚子轴承，其摩擦系数一般为0.0018~0.0028（常用轴承的摩擦系数见表3-4），取；代入a=385mm, b=796mm；则；
因此矫直辊转矩为：表3-4 常用滚动轴承的摩擦因数驱动功率：以上求出矫直辊的总转矩后，根据已知的矫直速度，设矫直机总的传动效率为，那么矫直机的驱动功率就是：（3-33）由于矫直机采用电动机—减速机—分速箱—万向轴传动的方式传动，因此。其中为主减速机效率，4级减速机取；为分速机效率，分速箱中齿轮较多，一般油位较高，一般取；为万向联轴器传动效率，取；因此。
90.分别代入矫直扭矩，速度v=25m/min=0.42m/s，r=0.29m，，则驱动功率：查三相异步电机规格表，选择机座号250m，同步转速1500r/min的电机，其额定功率为90kw。
91.在一些实施例中，所述基于所述结构参数和所述力能参数，构建矫直机模型，包括：基于所述结构参数和所述力能参数，确定矫直机的主轴强度、主轴刚度、扭转强度、弯扭合成强度以及剪切强度；基于矫直机的主轴强度、主轴刚度、扭转强度、弯扭合成强度以及剪切强度，构建
矫直机模型。
92.进一步地，所述工艺参数包括矫直机移动辊对工件的压弯量和矫直辊的轴向调节量。
93.可以理解的是，通过以上章节计算的参数，再结合工件的特性，即可完成船用型材矫直机的结构设计及校核。主要包括矫直机主轴的设计及校核、主轴轴承的选择及校核、矫直机主要结构件的设计及有限元分析。
94.矫直机主轴的设计及校核：矫直机主轴的校核主要包括扭转强度校核计算，弯扭合成强度校核计算，剪切强度校核计算，刚度校核计算。
95.首先，根据前面计算的矫直力，计算出各辊处的矫直力，并列举如表3-5：其中矫直力，矫直力比为。
96.表3-5 各辊所受的矫直力比弹性极限力，各辊处的矫直力大小如表3-6：由表3-6可知，最大的矫直力出现在第3辊处，为f3=324.6kn。
97.表3-6 各辊所受的矫直力数值同样的，由前述内容可得到，最大的矫直辊转矩，也出现在第3辊，该值为：其中其中；那么总的矫直转矩；再结合矫直机的结构参数a=385mm, b=796mm。
98.根据以上数据来完成主轴的强度及刚度计算。
99.扭转强度计算：主要目的是根据轴的转矩大小，计算切应力来确定轴的最小直径。
100.强度条件为：
扭转应力（3-34）式中t为轴传递的扭矩；w
t
为轴的抗扭截面模量；d为轴径；为许用扭转应力，对于塑性材料，取；其中为许用拉应力，对于塑性材料。为材料的屈服强度，s为安全系数，常用的安全系数表如表3-7。
101.对于矫直机的主轴，一般选择锻件，取安全系数s=2，主轴材料选择42crmo，采用调质热处理，查查得42crmo材料的抗拉强度=1080mpa，屈服强度=930mpa，则许用拉应力为，取许用扭转应力为，代入强度条件，则；表3-7 各种零件类型的常用安全系数此轴径代表轴上允许的最小轴径值，也就是主轴尾端连接万向联轴器部分的轴径。此处由于传动需要，设置有1个键槽，因此轴径须在以上基础上增加5%，取轴径d=65mm。
102.弯扭合成强度计算：矫直机主轴除了受扭矩作用，还承受着较大的弯矩，因此还应按照弯矩和扭矩的合成强度来计算。
103.主轴的两处支撑轴承均为轴向不固定，后部轴承紧贴着主轴的轴向调整机构，由此可以作出其受力模型如图10所示， t为扭矩，f为矫直力。
104.计算可得到两处轴承位置的支反力；；；那么主轴的受力模型更新如图11所示。
105.强度条件为：（3-35）式中为当量弯矩，；
为根据转矩的性质来确定的折合系数：转矩恒定时，；转矩按照脉动循环变化时，；转矩按对称循环变化时，。对于不确定变化规律的转矩，按照脉动循环来处理。
106.w为截面的抗弯截面模量，；查得42crmo材料的抗拉强度=1080mpa，屈服强度=930mpa，那么对应的，取安全系数s=2，则许用拉应力为；全部代入式中，可得：=139.4mm剪切强度计算：按轴上所受的剪力来校核轴的强度，强度条件为：（3-36）式中q为截面所受的剪切力；为剪切力作用截面的面积；为许用剪切应力，=；根据前述的受力条件画出轴的剪力图。
107.那么对于a处，有：=20mm对于b处，有：=14mm刚度校核：轴在受到扭矩、弯矩等载荷的作用下，会发生弯曲变形和扭转变形，如果变形严重，将影响到轴和安装在轴上的零件的正常运行。因此，对于刚度要求较高的轴，须进行刚度校核。刚度校核主要为以下3个条件：轴的最大挠度；轴的最大偏转角；
轴的最大扭转角；式中为许用挠度，为许用偏转角，为许用扭转角。
108.常见轴的许用挠度、许用偏转角、许用扭转角见表3-8；表3-8 常见轴的许用挠度、许用偏转角、许用扭转角对于矫直机主轴，需要校核的主要是挠度和偏转角。
109.由材料力学公式可知：（3-37）（3-38）（3-39）将分别代入以上3式，可得：分别代入以上3式，可得：
矫直机主轴轴承一般选用双列圆锥滚子轴承，属于刚度较高的轴。取= 0.005l=3.89mm；由于矫直机主轴须设计为可以带动轴承一起轴向移动，因此轴承外圈与箱体之间的配合较为松弛，取=0.005rad。分别将a=385，b=796代入以上3式得：147159133综合以上强度条件，最终选择dc=170mm，da=180mm，db=140mm。
110.矫直机主轴轴承的选择及校核：针对矫直机主轴轴承的校核主要包括：疲劳寿命、极限转速和静强度。其中静强度计算主要针对在工作载荷下基本不旋转，或者转速极低的轴承，不符合此应用场景，因此此处不做此校核。
111.根据前述章节的计算，da=180mm，db=140mm。由于矫直机主轴需要轴向调节，因此主轴轴承内圈安装在主轴上，外圈可与箱体轴向滑动。因此主轴轴承承受的轴向力可忽略，仅承受径向力。按照此需求，选择使用双列圆锥滚子轴承，其结构如图12所示。
112.根据前面选定的轴径，相应的选择对应的轴承型号：靠近矫直辊处的轴承选择352236x2，靠紧矫直机驱动端的轴承选择352228x2。这两个型号的主要性能参数如表3-9。
113.表3-9 所选轴承的各项性能参数以下根据前面计算的轴承受力，以及轴承的参数来进行轴承的校核。
114.疲劳寿命校核：滚动轴承的基本额定寿命l
10
是指一批相同的轴承，在相同的条件下运转，其中90%不发生疲劳点蚀以前，能够运行的总转数或在一定转速下所能运行的总工作小时数。其表达式如下：（106r）（3-40）或，
（h）（3-41）式中，f1为温度系数，见表3-10。
115.cr为轴承的基本额定动载荷kn；p为轴承所受的当量动载荷/kn；n为轴承的转速/r
·
min-1
；轴承的寿命指数，对于球轴承=3，对于滚子轴承=10/3；表3-10 滚动轴承的温度系数当量动载荷p是由轴承所受的轴向力和径向力组合而成，其表达式为p=xfr+yfa（3-42）式中，fr为轴承所受的径向载荷/kn；fa为轴承所受的轴向载荷/kn；x为轴承的径向载荷系数；y为轴承的轴向载荷系数；对于双列圆锥滚子轴承，x=1，y=0.45cotα；由于此处轴承不受轴向力，因此fa=0。分别将fa=485.6kn,fb=157kn代入式3-42，得到：pa=485.6kn；pb=157kn；由前面的已知的矫直速度以及矫直辊直径可轻易得出主轴转速n=13.7r/min；两个轴承均在常温下运行，取f
t
=1。
116.对于轴承a，将cr=1390kn代入式3-41：=40511h；对于轴承b，将cr=985kn代入式3-41；=554093h；常见机械的轴承预期计算寿命见表3-11如下：表3-11 常见机械的轴承预期计算寿命表
对于矫直机的使用场景，由于其是船厂型材生产流水线中的节点设备，因此其工作制为8小时连续工作。但是实际工作中并非时刻都有工件，因此按照利用率不高的每日8小时工作的机械来计算，即预期计算寿命为20000~30000h，显然，2个型号的轴承均可满足要求。
117.极限转速校核：主轴轴承采用脂润滑的形式，由表3-9可知，轴承转速远小于极限转速，故满足要求，无需进行详细校核。
118.矫直机主要构件的有限元分析：矫直机的主要承力构件为主箱体和顶升梁。其中主箱体主要用于支撑固定辊的矫直力、移动辊所受矫直力的反作用力，以及整机的自重；顶升梁主要承受移动辊的矫直力，并将其传导到主箱体的确定部位。以下使用ansys进行矫直机主箱体和顶升梁的有限元分析。
119.矫直机主箱体的有限元分析：所有钢板厚度方向设置为5mm，其余方向设置为100mm。
120.根据前面计算的轴承压力，对箱体设置如下边界条件：在箱体底部与地基连接的部位，施加位移约束，xyz方向均设置为0；对上排辊的各轴承位，按照最大轴承压力施加力，对于靠近矫直辊的轴承，该力pa=485.6kn，方向向上；对于远离矫直辊的轴承，该力为pb=157kn，方向向下；对整个箱体施加重力，方向向下。
121.根据分析结果可知，矫直机主箱体的最大应力出现在矫直辊侧轴承下方支撑板处，为179.69mpa，最大位移出现在箱体顶部，为0.54mm。矫直机箱体选用q355b低合金高强度结构钢焊接而成，材料屈服强度为355mpa，因此足以满足使用要求。
122.矫直机顶升梁的有限元分析：所有钢板厚度方向设置为5mm，其余方向设置为100mm。
123.根据前面计算的轴承压力，对箱体设置如下边界条件：在顶升梁底部的安装位置，施加位移约束，xyz方向均设置为0；对上排辊的各轴承位，按照最大轴承压力施加力，对于靠近矫直辊的轴承，该力pa=485.6kn，方向向上；对于远离矫直辊的轴承，该力为pb=157kn，方向向下；对整个顶升梁施加重力，方向向下。
124.依据以上条件计算出的应力及位移，根据分析结果可知，矫直机顶升梁的最大应力出现在矫直辊侧轴承下方支座处，为59.6mpa，最大位移出现在矫直辊侧轴承顶部，为0.15mm。矫直机顶升梁选用q355b低合金高强度结构钢焊接而成，材料屈服强度为355mpa，因此足以满足使用要求。
125.船用型材矫直机的工艺参数计算及试验验证：矫直机的工艺参数计算主要为矫直机移动辊对工件的压弯量和矫直辊的轴向调节量。这些工艺参数的准确性直接关系到最终的矫直效果，并影响到型材在后续工序中的流转与加工。本章主要从这两个方面来计算型材矫直的工艺参数。并将计算出的工艺参数输入矫直机控制系统中进行试验，以验证参数的准确性。
126.矫直机压弯量参数计算：在前面已经推导过压弯挠度、反弯曲率以及挠度之间的关系以及其计算方法。这里分别按小变形方案、大变形方案、线性递减方案分别计算压弯挠度，并在后面章节针对确定的型材规格来计算实际的压弯量，然后使用计算出的压弯量进行矫直试验，从而对比出各矫直方案的矫直效果并得出最终结论。
127.按小变形方案计算矫直机的压弯挠度：由前面内容中可知，按照小变形方案矫直时，压弯挠度就是弹复挠度，并且对应的残留挠度为零。由式2-62可知，，代入式3-2，则可以得到压弯挠度比与原始曲率比之间的关系：（4-1）现在将各种原始曲率c0对应的压弯挠度比列举如表4-1；仍然按照前面的设定，原始曲率c0=
±
9.2。实际上，型材全长上的原始弯曲并不相等，那么需要在第2辊处将型材的双向原始弯曲变成单向的原始弯曲。也就是将压弯量相反方向的最大原始曲率矫直（设第2辊处矫直的原始曲率为正方向，即c
02
=9.2），与此同时，原始曲率为0的部分，将被压弯，并成为该方向下一次矫直时的最大原始曲率。
128.同样由式3-3，以及，可以得到：同样将压弯挠度比与对应的残余曲率比cc列举如表4-2：表4-1 按照小变形方案计算的压弯挠度比
表4-2残余曲率比与压弯挠度比之间的关系查表4-1可以得到第2辊处的应使用的压弯挠度比=1.495。第3辊处需将反方向的最大原始曲率c
03
=-9.2矫直，那么同样的=1.495。
129.查表4-2可以得到经过第2辊后产生的正方向最大残余曲率，也就是第3辊处的残余曲率c
c3
=0.2215。此残余弯曲将成为第4辊处的原始曲率，即c
04
=0.2215；表4-3残余曲率比与压弯挠度比之间的关系
如此循环查表可以得到各辊处的原始曲率与对应的压弯量，将各辊的原始曲率、残余曲率及压弯量列举如表4-3；最终的残余曲率比为0.008，以hp280的球扁钢为例，其弹性极限曲率：=0.000123;那么残余曲率=9.85x10-8
；对应的每米弯曲量为：=0.0123mm/m；每米仅有0.0123mm的弯曲量，这样的矫直质量是非常好的，但是实际生产中极难达到这样的质量。主要原因有如下几点：（1）型材两端存在空矫区，即因辊距产生的无法压弯的区域（约为半个辊距）；（2）实际生产的型材与计算中设定的理想型材有差异，并且同一根型材的不同部位也存在性能差异；（3）型材轧制过程中，可能存在部分区域缺料或者多料的情况，这种情况产生的弯曲变形是冷矫无法完成的，必须采用热矫的方式才可能矫直。
130.汇总得到小变形方案各辊处的压弯挠度比如表4-3：表4-3小变形方案各辊压弯挠度比
按大变形方案计算矫直机的压弯挠度：按大变形方案来进行矫直时，应当尽量在前面几个矫直辊处将型材弯曲至基本一致的弯曲曲率，以达到缩小残余曲率的目的。
131.从弯矩比和总弯曲曲率的关系上来考虑，根据式2-25可知，而总的弯曲曲率中包含原始曲率比和反弯曲率比，为了使原始曲率为0的部位，在完成大变形反弯后也能够达到和其余部位接近的弹复能力，那么需要使反弯曲率比，而根据式2-26，=1.48。因此取=2.96，同样取=9.2。
132.第2辊和第4辊处均使用此压弯量，那么型材经过第3辊后的弹复曲率比：=1.497残余曲率比为：=1.46那么达到这样的残余曲率比对应的弯矩比：=1.27代入式2-70，那么对应的=2.83；换言之，大变形终止的矫直辊处，压弯挠度比应为2.83。由于第2辊和第4辊处的压弯挠度比为=2.96，那么大变形将在下一个可调辊处结束，也就是第6辊处，那么=2.83。第5辊处的压弯挠度比为。
133.第7辊处的压弯量将对矫直结果起到决定性作用，因为型材在进入第7辊前，其曲率已经趋于一致，矫直效果几乎完全取决于第7辊。
134.那么，从第3辊处开始计算残余曲率，并作为下一辊的原始曲率，依次计算，最终得到第7辊的原始曲率。
135.第3辊处的弹复曲率1.497，残余曲率=1.46，那么下一辊处的原始曲率=1.46；
第4辊处的弹复曲率=1.447，残余曲率=1.513，下一辊处的原始曲率=1.513；第5辊处的弹复曲率=1.474，残余曲率=1.421，下一辊处的原始曲率=1.421；第6辊处的弹复曲率=1.472，残余曲率=1.358，下一辊处的原始曲率=1.358；查表4-2，可以得到第7辊处的压弯挠度比=1.436。
136.那么第8辊处的压弯挠度比=0.042；由于，那么后续所有辊的压弯量均为0；将大变形方案各辊处的压弯挠度比汇总如表4-4。
137.表4-4 大变形方案各辊压弯挠度比按线性递减方案计算矫直机的压弯挠度：按线性递减方案进行矫直时，只需要确定入口和出口处的压弯量，就可以确定各辊的压弯挠度比。入口处按反弯曲率比来计算，对应的压弯挠度比=3.3。而出口处的压弯挠度比为1，中间各辊的压弯挠度比按线性递减计算。各辊的压弯挠度比汇总如表4-5。
138.表4-5线性递减方案各辊压弯挠度比矫直机轴向调节量计算：型材矫直机都配备有轴向调节装置，用以推动矫直机主轴轴向运动，从而使上下辊均与型材贴合。当型材存在侧弯时，可调节轴向调节装置，使型材在侧向发生反弯，以达到矫直型材侧弯的目的。
139.型材侧弯的矫直需要利用水平方向（即侧弯的方向）和竖直方向（即拱弯的方向）
两个方向的弯曲变形的合成效果。如矩形型材，对于拱弯的矫直，是利用绕x轴方向的弯矩my的反复作用而完成；对于侧弯的矫直，则需要利用绕z轴方向的弯矩m
x
来完成。此时，对于任意截面bcde来说，相当于在已有的弯曲变形的基础上，另外增加一个侧向变形。那么在棱线以及上面的变形量可以增加到。并且是一条棱线被拉伸，另外一条棱线被压缩；相应的在棱线和上的变形则减小为，此时同样是一条被拉伸，一条被压缩，但是一般都不会超过弹性极限，也即是保持原状或者有较小程度的塑性变形。当型材进入反弯的状态时，两者的状态会交替，也就是棱线和上的变形增大，而以及上的变形减小。这种交替变形，对于消除侧弯很有效。由于，因此矫直过程中侧向的压弯量无需太大，一般不需超过弹性极限。
140.把4条棱线的变形连接起来，则可得到截面bcde先变形到b’c’d’e’，然后变形到b
’’c’’d’’e’’
，这些截面角位移的轴线起初在无穷远处，变形后在处，两者叠加，则轴线在处。当侧弯越大时，轴线的倾斜角也越大，且侧弯方向相反时倾斜方向也相反。
141.当侧弯是单向的时候，可以轴向调节各矫直辊，使各辊孔型形成一个弧形，其方向和侧弯方向相反。这样可以使型材在侧向进行反复弯曲，因为每经过2个矫直辊的时候，棱线和都将经历一次交替的塑性拉伸和压缩变形，同时棱线和也会经历相同的交替变形，那么实质上也等于是在侧向平面上进行了反复弯曲变形。从而达到了矫直侧弯的目的。
142.侧向压弯挠度：式中，，则：那么对于特定的型材，可以使用式4-1计算出侧向压弯量。
143.矫直机工艺参数的数值计算：辊式矫直机各辊处的压弯挠度为该段型材的两个零弯矩点之间的挠度，也就是说，型材在某一矫直辊处的压弯挠度就是该辊前后两个相邻矫直辊之间的挠度，两个零弯矩点可近似的认为是两个相邻矫直辊的顶点。因此该辊处的压弯量可以近似的按照该辊的压弯挠度和该辊的两个相邻矫直辊压弯挠度之和的一半相加起来的结果。这样才能在压弯过程中使该点达到需要的压弯挠度。
144.各辊处的压弯挠度与压弯量之间的关系如图13，对于本11辊矫直机，由于第1辊和第11辊为固定辊，因此不需要计算其压弯量与压弯挠度。此时第2辊和第10辊处的压弯量按该辊处各自压弯挠度的2倍来计算。
145.第2、4、6、8、10辊（即各移动辊）处的压弯量与各辊处的压弯挠度可以计算如下：；；；；；分别按三种矫直方案计算各移动辊的压弯量，并汇总如表4-5：根据表4-5，那么对于特定的型材，计算出其弹性极限挠度，就可以对应的求出各种矫直方案对应的压弯量。另外考虑到型材轧制过程中一般在高度上存在
±
0.5mm的偏差，为了弥补这个偏差，各辊的压弯量应在计算值的基础上再加大0.5mm。
146.表4-6三种矫直方案各移动辊的压弯量由于在矫直机矫直试验的时期，船厂能够提供的只有部分规格的球扁钢，并且球扁钢也是船舶制造中使用量最大的型材，因此本节以球扁钢作为试验型材。
147.试验型材的弹性极限挠度为：，将=355mpa，p=700mm，e=206000mpa，h=26.25mm代入，得到=1.34mm；那么hp140x7球扁钢的三种矫直方案的压弯量计算值如表4-7（已增大0.5mm已补偿轧制误差）：表4-7hp140x7球扁钢三种矫直方案各移动辊的压弯量
侧向压弯量=0.25mm。
148.试验型材不同矫直方案的矫直试验：分别按照3种矫直方案各测试10根同规格型材，型材长度均为12m，并将矫直结果（12m范围上的弯曲量，测量方式为两端拉线并测量型材弯曲度最大的部位）汇总如下（单位：mm）：小变形方案的矫直结果见表4-8：大变形方案的矫直结果见表4-9：线性递减方案的矫直结果见表4-10：表4-8hp140x7球扁钢小变形矫直方案的矫直结果表4-9hp140x7球扁钢大变形矫直方案的矫直结果表4-10hp140x7球扁钢线性递减矫直方案的矫直结果可见，相对于大变形方案和线性递减方案而言，小变形方案的矫直效果较差，且不稳定，这主要是因为小变形矫直方案压弯量的设定值与型材的原始弯曲程度有关，而原始弯曲曲率很难准确的测量，因此导致小变形方案工艺参数设定不够准确。同时，矫直机在制造过程中，部分矫直辊之间存在一定程度的距离误差和位置误差，这也会干扰小变形矫直方案的工艺参数。
149.而大变形方案和线性递减方案相比较来说，矫直效果比较接近，且均能够满足质量要求。因此最终选择使用这两种方案。
150.而国内部分船厂（如招商局重工船厂）引进的进口设备的实际矫直精度一般为1mm/m，且12mm/12m。可见本项目建造的矫直机，与国内外同类产品的性能已经比较接近。
151.本发明提供的一种船用型材矫直机的工艺参数确定方法，包括：获取矫直辊弯曲变形对应的弯曲曲率、弯矩、弯曲变形能及压弯扰度；基于矫直辊弯曲变形对应的弯曲曲率、弯矩、弯曲变形能及压弯扰度，确定矫直机的结构参数和力能参数；基于所述结构参数和所述力能参数，构建矫直机模型；获取船用型材在多个矫直方案中矫直机对应的工艺参数，并将所述工艺参数输入至所述矫直机模型，以对所述船用型材进行矫直试验，得到试验结果；基于所述试验结果，从所述多个矫直方案中确定目标矫直方案以及所述目标矫直方案中矫直机对应的工艺参数。
1503通过系统总线相互通信。
161.在本发明的一些实施例中，当处理器1501执行存储器1502中的船用型材矫直机的工艺参数确定程序时，可实现以下步骤：获取矫直辊弯曲变形对应的弯曲曲率、弯矩、弯曲变形能及压弯扰度；基于矫直辊弯曲变形对应的弯曲曲率、弯矩、弯曲变形能及压弯扰度，确定矫直机的结构参数和力能参数；基于所述结构参数和所述力能参数，构建矫直机模型；获取船用型材在多个矫直方案中矫直机对应的工艺参数，并将所述工艺参数输入至所述矫直机模型，以对所述船用型材进行矫直试验，得到试验结果；基于所述试验结果，从所述多个矫直方案中确定目标矫直方案以及所述目标矫直方案中矫直机对应的工艺参数。
162.应当理解的是：处理器1501在执行存储器1502中的船用型材矫直机的工艺参数确定程序时，除了上面的功能之外，还可实现其他功能，具体可参见前面相应方法实施例的描述。
163.进一步地，本发明实施例对提及的电子设备1500的类型不作具体限定，电子设备1500可以为手机、平板电脑、个人数字助理（personaldigitalassistant，pda)、可穿戴设备、膝上型计算机（laptop）等便携式电子设备。便携式电子设备的示例性实施例包括但不限于搭载ios、android、microsoft或者其他操作系统的便携式电子设备。上述便携式电子设备也可以是其他便携式电子设备，诸如具有触敏表面（例如触控面板）的膝上型计算机（laptop）等。还应当理解的是，在本发明其他一些实施例中，电子设备1500也可以不是便携式电子设备，而是具有触敏表面（例如触控面板）的台式计算机。
164.又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的船用型材矫直机的工艺参数确定方法，该方法包括：获取矫直辊弯曲变形对应的弯曲曲率、弯矩、弯曲变形能及压弯扰度；基于矫直辊弯曲变形对应的弯曲曲率、弯矩、弯曲变形能及压弯扰度，确定矫直机的结构参数和力能参数；基于所述结构参数和所述力能参数，构建矫直机模型；获取船用型材在多个矫直方案中矫直机对应的工艺参数，并将所述工艺参数输入至所述矫直机模型，以对所述船用型材进行矫直试验，得到试验结果；基于所述试验结果，从所述多个矫直方案中确定目标矫直方案以及所述目标矫直方案中矫直机对应的工艺参数。
165.本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
166.以上对本发明所提供的船用型材矫直机的工艺参数确定方法、装置及电子设备进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容
不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种船用型材矫直机的工艺参数确定方法，其特征在于，包括：获取矫直辊弯曲变形对应的弯曲曲率、弯矩、弯曲变形能及压弯扰度；基于矫直辊弯曲变形对应的弯曲曲率、弯矩、弯曲变形能及压弯扰度，确定矫直机的结构参数和力能参数；基于所述结构参数和所述力能参数，构建矫直机模型；获取船用型材在多个矫直方案中矫直机对应的工艺参数，并将所述工艺参数输入至所述矫直机模型，以对所述船用型材进行矫直试验，得到试验结果；基于所述试验结果，从所述多个矫直方案中确定目标矫直方案以及所述目标矫直方案中矫直机对应的工艺参数。2.根据权利要求1所述的船用型材矫直机的工艺参数确定方法，其特征在于，所述获取矫直辊弯曲变形对应的弯曲曲率、弯矩、弯曲变形能及压弯扰度，包括：基于船用型材在弯曲变形过程中的曲率变化情况，确定矫直辊弯曲变形对应的弯曲曲率、弯矩、弯曲变形能及压弯扰度。3.根据权利要求2所述的船用型材矫直机的工艺参数确定方法，其特征在于，所述基于船用型材在弯曲变形过程中的曲率变化情况，确定矫直辊弯曲变形对应的弯曲曲率、弯矩、弯曲变形能及压弯扰度，包括：基于所述曲率变化情况，确定所述船用型材的原始弯曲半径和反向弯曲对应的曲率半径，并基于所述原始弯曲半径和所述反向弯曲对应的曲率半径，确定弯曲曲率；基于所述曲率变化情况，确定所述船用型材的矫直力及所述船用型材的各处截面的弹区比，基于所述船用型材的矫直力及所述船用型材的各处截面的弹区比，确定弯矩；所述弹区比为所述船用型材的弹性区厚度与总厚度的比值；基于所述船用型材的矩形端面宽度、距离中性层目标点处的应力以及弯矩，确定弯曲变形能；基于所述船用型材的原始弯曲曲率比以及反向压弯曲率比，确定压弯扰度。4.根据权利要求1所述的船用型材矫直机的工艺参数确定方法，其特征在于，所述结构参数，包括矫直机中矫直辊对应的辊数、辊径、辊距和辊长；所述力能参数，包括矫直机的矫直力、轴承压力、矫直辊转矩和驱动功率。5.根据权利要求4所述的船用型材矫直机的工艺参数确定方法，其特征在于，所述基于矫直辊弯曲变形对应的弯曲曲率、弯矩、弯曲变形能及压弯扰度，确定矫直机的结构参数和力能参数，包括：基于所述反向压弯曲率比与所述原始弯曲曲率比，确定所述矫直机所需的矫直曲率比，并基于所述矫直曲率比，确定所述矫直机所需的辊数；基于矫直辊的目标压弯量、船用型材的咬入条件、矫直辊的强度条件以及船用型材断面形状，确定矫直辊的辊径、辊距和辊长；基于矫直机工件的弹性极限弯矩、各矫直辊的弯矩比以及辊数，确定矫直机的矫直力；基于所述矫直力以及矫直机的尺寸数据，确定轴承压力；确定矫直辊需要克服的阻力，并确定矫直转矩，且基于矫直辊需要克服的阻力以及所述矫直转矩，确定矫直辊转矩；基于矫直速度、矫直机的总传动效率、矫直辊转矩以及矫直辊半径，确定驱动功率。
6.根据权利要求1所述的船用型材矫直机的工艺参数确定方法，其特征在于，所述基于所述结构参数和所述力能参数，构建矫直机模型，包括：基于所述结构参数和所述力能参数，确定矫直机的主轴强度、主轴刚度、扭转强度、弯扭合成强度以及剪切强度；基于矫直机的主轴强度、主轴刚度、扭转强度、弯扭合成强度以及剪切强度，构建矫直机模型。7.根据权利要求1-6任一项所述的船用型材矫直机的工艺参数确定方法，其特征在于，所述工艺参数包括矫直机移动辊对工件的压弯量和矫直辊的轴向调节量。8.一种船用型材矫直机的工艺参数确定装置，其特征在于，包括：获取模块，用于获取矫直辊弯曲变形对应的弯曲曲率、弯矩、弯曲变形能及压弯扰度；第一处理模块，用于基于矫直辊弯曲变形对应的弯曲曲率、弯矩、弯曲变形能及压弯扰度，确定矫直机的结构参数和力能参数；构建模块，用于基于所述结构参数和所述力能参数，构建矫直机模型；试验模块，用于获取船用型材在多个矫直方案中矫直机对应的工艺参数，并将所述工艺参数输入至所述矫直机模型，以对所述船用型材进行矫直试验，得到试验结果；第二处理模块，用于基于所述试验结果，从所述多个矫直方案中确定目标矫直方案以及所述目标矫直方案中矫直机对应的工艺参数。9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，其中，所述存储器，用于存储程序；所述处理器，与所述存储器耦合，用于执行所述存储器中存储的所述程序，以实现如权利要求1至7中任意一项所述的船用型材矫直机的工艺参数确定方法中的步骤。10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的船用型材矫直机的工艺参数确定方法。

技术总结
本发明提供一种船用型材矫直机的工艺参数确定方法、装置及电子设备，该方法包括：获取矫直辊弯曲变形对应的弯曲曲率、弯矩、弯曲变形能及压弯扰度；基于矫直辊弯曲变形对应的弯曲曲率、弯矩、弯曲变形能及压弯扰度，确定矫直机的结构参数和力能参数；基于所述结构参数和所述力能参数，构建矫直机模型；获取船用型材在多个矫直方案中矫直机对应的工艺参数，并将所述工艺参数输入至所述矫直机模型，以对所述船用型材进行矫直试验，得到试验结果；基于所述试验结果，从所述多个矫直方案中确定目标矫直方案以及所述目标矫直方案中矫直机对应的工艺参数。本发明可以确定船用型矫直机的工艺参数，以实现船用型材的矫直。以实现船用型材的矫直。以实现船用型材的矫直。


技术研发人员：桂宏伟 王俊虎 刘志坚 汪效明 李樊 吴柳 蒋喆 蔡小齐
受保护的技术使用者：中基科技（武汉）有限公司
技术研发日：2023.09.13
技术公布日：2023/10/20