[發明專利]一種結合敏感性分析與反算優化的鋼錠鑄造模擬邊界條件確定方法

在審

• 申請號: 202211354002.1
• 申請日: 2022-11-01
• 公開（公告）號: CN115659747A
• 公開（公告）日: 2023-01-31
• 發明（設計）人: 王旭東;馮聰;姚曼
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F111/10;G06F119/08
• 代理公司: 遼寧鴻文知識產權代理有限公司 21102
• 代理人: 許明章;王海波

1.一種結合敏感性分析與反算優化的鋼錠鑄造模擬邊界條件確定方法，其特征在于，所述的鋼錠鑄造模擬邊界條件確定方法分為兩個部分，一是鋼錠溫度場仿真條件因素敏感性大小分析，二是對鋼錠凝固過程溫度場敏感性高的條件因素進行反算優化；采用鋼廠實測鋼錠溫度數據，并結合DOE實驗設計和反算優化法確定實際鋼錠凝固過程中的傳熱條件因素，從而達到提高模擬計算精度的目的。

2.根據權利要求1所述的一種結合敏感性分析與反算優化的鋼錠鑄造模擬邊界條件確定方法，其特征在于，具體包括以下步驟：

第一步、鋼錠溫度場仿真邊界條件因素敏感性分析

(1)用L_n(p^c)表示正交表，其中L、p、n、c分別表示正交表的代號、正交試驗的因子水平數、試驗的總次數和試驗因子的個數；

(2)在正交試驗中，采用極差分析的方法來判定試驗因素的敏感性，z因素的極差值可以表示為：

其中，表示z因素在n水平下所得的實驗結果的水平均值，n表示總水平數；

(3)利用正交實驗方法從諸多影響溫度場邊界條件的因素中，快速找到對溫度影響顯著的條件因素，并將其影響效果量化；根據量化結果確定影響鑄錠溫度場的主、次要參數條件；

(4)依據對鋼錠溫度場影響顯著的因素，確定正交實驗因子，根據實驗因子數量及因子水平選取DOE實驗設計方案正交表，各影響因素的水平值選取原則為依據各影響因素參考值合理范圍內選取，結果分析依據錠模寬面表面中心測溫點固定時刻溫度T；

(5)鋼錠凝固過程溫度場仿真計算：基于實際的鋼錠信息，采用三維建模軟件根據實體模型1：1建模，將鋼錠、錠模、冒口、絕熱板、底座建立有限元模型，定義各部分材料屬性，輸入初始條件、邊界條件、仿真參數，進行溫度場正向求解計算，獲取鋼錠鑄造過程溫度場仿真結果；

(6)根據DOE實驗設計方案，設置不同的仿真條件因素，采用計算機仿真的方法來獲取正交表中每個方案的目標值，計算極差R_z，并進行極差分析，判斷各條件因素敏感性高低；

第二步、鋼錠凝固過程仿真關鍵邊界條件因素反算優化

(1)在鋼錠鑄造過程中采集錠模表面溫度：在錠模寬面、窄面表面中心各設置一個測溫點，使用紅外熱像儀，采集鑄錠凝固過程中錠模寬面和窄面表面中心點溫度隨時間變化曲線，將采集到的溫度數據傳輸到計算機，作為反算的對比條件；

(2)鋼錠凝固過程溫度場仿真計算：依據鋼錠凝固過程經驗值邊界條件溫度場仿真結果，提取錠模寬面和窄面表面中心點溫度隨時間的變化曲線，作為反算的初始條件；

(3)對鋼錠凝固過程溫度場敏感性高的條件因素反算優化：

(3.1)分別將錠模寬面和窄面表面中心測溫點仿真和實測溫度隨時間變化曲線導入鋼錠凝固反算模型，作為初始和對比條件；依據各因素敏感性從高到低，對敏感性高的因素依次進行反算優化，敏感性最低的兩個因素不作計算；

(3.2)優化目標函數的作用是使利用反算優化的主要條件因素值相對于利用經驗條件因素值計算得到的溫度場與實際測量的溫度場吻合度更高，得到如下優化目標：

式中，α表示需要反求的未知條件因素，N_α表示未知條件隨時間變化的數目，N_t表示測量時間點個數，N_m表示測溫點個數，為測量點x_j(j＝1,…,N_m)在不同時間t_i(i＝1,…,N_t)下測量的溫度，為利用未知條件因素值計算測溫點x_j在時間t_i的模擬溫度，σ_T表示實驗下測量溫度的誤差，σ_k表示反求迭代過程中允許α的最大改變量值，表示初始假定的未知條件因素值；

(3.3)最小化目標函數s(α)，即其函數的偏導為零；

(3.4)用泰勒公式在未知條件因素α_l處線性展開；

(3.5)在溫度場計算過程中，下一次迭代的溫度也被線性化：

式中，表示第v次迭代測溫點模擬溫度，表示第k個時刻、第v次迭代的靈敏系數，未知條件因素的增量Δα_k通過下面的公式計算求得：

式中，σ_l表示表示反求迭代過程中允許α的最大改變量值，表示第v次反求迭代過程中第l個時刻未知條件因素值，X_ijk表示第k個時刻的靈敏系數，δ_ik為克羅內克爾符號(onecker symbol)，

(3.6)通過方程(6)、(7)、(8)計算未知條件因素的修正變量Δα_k，如果|Δα_k/α_k|ε，計算停止，輸出求解的未知條件因素α，否則，返回重新計算鋼錠凝固溫度數據其中，ε為收斂批判據值，未知條件因素包含與傳熱相關的邊界條件，如h為界面換熱系數；q為錠模外表面與空氣的對流換熱系數；

(4)鋼錠模擬計算條件反算結果驗證：

(4.1)利用反算優化后的邊界條件，進行鋼錠溫度場計算，獲得錠模寬面和窄面表面中心測溫點溫度隨時間變化曲線結果；

(4.2)將錠模對應點實測溫度隨時間變化曲線與利用反算優化后的邊界條件和利用經驗值邊界條件模擬得到的溫度隨時間變化曲線二者數據結果進行對比分析驗證。

3.權利要求1或2任一所述的一種結合敏感性分析與反算優化的鋼錠鑄造模擬邊界條件確定方法適用于各種鑄造過程中對主要未知條件因素的反算優化，能夠提高鑄造模擬計算精度。