基于粒子群算法的核电锆合金冷轧板形控制VCR辊形研究

doi:10.3901/JME.2025.08.075

机械工程学报 ›› 2025, Vol. 61 ›› Issue (8): 75-84.doi: 10.3901/JME.2025.08.075

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基于粒子群算法的核电锆合金冷轧板形控制VCR辊形研究

曹建国^1,2,3,4, 王雷雷^1,2,3,4, 张兆祥^1,2,3,4, 曹媛^1,3,4,5, 王犇⁶, 高博⁶

1. 北京科技大学机械工程学院北京 100083;
2. 北京科技大学顺德创新学院佛山 528399;
3. 北京科技大学人工智能研究院北京 100083;
4. 北京科技大学国家板带生产先进装备工程技术研究中心北京 100083;
5. 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京 100191;
6. 国核宝钛锆业股份公司宝鸡 721000

收稿日期:2024-03-22 修回日期:2024-10-17 出版日期:2025-04-20 发布日期:2025-05-10
作者简介:曹建国(通信作者)，男，1971年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为基于工业大数据的智能制造建模与全流程板形控制、精确塑性成形、机器人与医疗器械仿生电子皮肤与多模态感知、工业人工智能与智能制造技术。E-mail：geocao@ ustb.edu.cn
基金资助:
国家科技重大专项(2019ZX06002001-004)、佛山市人民政府科技创新专项(BK22BE019)、国家科技部创新方法工作专项(2016IM010300)和陕西省秦创原“科学家+工程师”(S2022-ZC-QCYK-0017)资助项目。

VCR Roll Contour Design and Shape Control Capability Based on Particle Swarm Optimization

CAO Jianguo^1,2,3,4, WANG Leilei^1,2,3,4, ZHANG Zhaoxiang^1,2,3,4, CAO Yuan^1,3,4,5, WANG Ben⁶, GAO Bo⁶

1. School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083;
2. Shunde Innovation School, University of Science and Technology Beijing, Foshan 528399;
3. Institute of Artificial Intelligence, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083;
4. School of Automation Science and Electrical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083;
5. National Engineering Research Center of Flat Rolling Equipment, Beihang University, Beijing 100191;
6. State Nuclear Bao Ti Zirconium Industry Company, Baoji 721000

Received:2024-03-22 Revised:2024-10-17 Online:2025-04-20 Published:2025-05-10

摘要/Abstract

摘要： 针对核电锆合金板带多轧程多道次冷轧过程板形控制问题，建立核电锆合金辊件一体化板带轧制三维有限元模型，分析了核电锆合金板带冷轧过程板形控制特性，提出一种基于粒子群算法智能寻优的VCR变接触支持辊设计方法，结合现场实际自动寻优迭代设计适用于核电锆合金板带多宽度多道次轧制VCR变接触支持辊设计新方案，有限元仿真研究结果表明：与核电锆合金板带现有工业方案相比，新方案轧机板形控制能力明显增强，有效消除辊间有害接触区且辊间有害接触线长度减少87.58%以上，辊系横向刚度提高17.55%以上，弯辊力调控功效提高15.15%以上，为开展工业试验提升核电锆合金板形质量提供了依据。

关键词: 锆合金, 冷轧, 板形控制, 有限元建模, 粒子群算法

Abstract: In view of shape control problem of nuclear zirconium alloy strips during the multi-roll and multi-pass cold rolling process. The integrated three-dimensional finite element model of nuclear zirconium alloy strip and roll systems is established. A design method of VCR (varying contact backup rolls) based on particle swarm optimization is proposed. Combining field practice, the automatic optimization iterative design is suitable for the roll contours of the VCR technology during multi pass rolling of nuclear power zirconium alloy strip. Finite element simulation results show that：Compared with the existing industrial scheme of nuclear zirconium alloy strip, the shape control ability of the new scheme is obviously enhanced. The new scheme can effectively eliminate the undesired contact areas between the backup roll and work roll and reduce the length of the undesired contact line length between the rolls by 87.58%, increase the roll gap stiffness of the roll system by 17.55%, and increase the regulating efficiency of the bending force by 15.15%. This provides a theoretical basis for industrial tests aimed at improving the shape quality of nuclear zirconium alloy.

Key words: Zirconium alloy, cold rolling, shape control, finite element modeling, particle swarm optimization

中图分类号:

TG337

曹建国, 王雷雷, 张兆祥, 曹媛, 王犇, 高博. 基于粒子群算法的核电锆合金冷轧板形控制VCR辊形研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(8): 75-84.

CAO Jianguo, WANG Leilei, ZHANG Zhaoxiang, CAO Yuan, WANG Ben, GAO Bo. VCR Roll Contour Design and Shape Control Capability Based on Particle Swarm Optimization[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(8): 75-84.

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