一种冷轧薄宽带材浪形后屈曲变形的等效模拟方法与装置

技术领域

本发明涉及冷轧薄带材非接触式浪形检测技术领域，特别是涉及一种冷轧薄宽带材浪形后屈曲变形的等效模拟方法与装置。

背景技术

通过冷轧获得的板带材料具有优良的表面质量与尺寸精度，配合适当的热处理工艺，机械性能与加工性能也可保证。因此，汽车制造、电气产品、机车车辆、航空、精密仪表等行业对冷轧薄带乃至极薄带材料的需求也越来越大。但当所需的板带材厚度很小，进行冷轧加工很容易出现各种板形问题，如中浪、边浪、四分之一浪、局部浪等都是在冷轧薄带材料中十分常见的板形缺陷。

为了得到优质的冷轧薄板带材料，各种板形控制理论、技术及设备出现并应用于生产实践中，且已经取得了很好的效果。但在需求端对冷轧薄板带的厚度、产量与质量提出更高的要求，且为获得更高的效益而对产品的生产效率与成品率的要求也不断提高时，板形问题仍是一个不容忽视的障碍。为此，找到某种方法用以模拟并观测不同板形缺陷的发生及发展过程，然后利用相关理论这些缺陷进行分析，将有利于冷轧过程中板形控制技术的进一步发展。

因此，亟需一种新型的冷轧薄宽带材浪形后屈曲变形的等效模拟方法与装置来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种冷轧薄宽带材浪形后屈曲变形的等效模拟方法与装置，以解决现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种冷轧薄宽带材浪形后屈曲变形的等效模拟方法，包括以下步骤：

S1:确定冷轧薄带材样品尺寸及其变形区域和尺寸，基于变形区域尺寸确定底板材料及初定加热终温；

S2:确定底板尺寸；

S3:截取板形良好的冷轧薄带材样品，并绘制原始散斑图案；

S4：进行原始散斑质量评测，质量合格后基于标定板对所述原始散斑进行标定；

S5：将底板与薄带材样品加热到加热终温，通过滚涂机构将薄带材样品连接面与底板粘接；

S6：对步骤S5中粘接完成的薄带材样品通过高速相机进行观测并记录数据，拍照触发条件依温度间隔确定；

S7：对步骤S6中记录的数据进行处理。

优选的，步骤S1中薄带材样品变形区域为矩形。

优选的，步骤S1中底板材料及初定加热终温的确定步骤为：

预设变形区域，在温度变化相同的情况下，给定薄带材样品与底板在预设变形区域大变形方向上尺寸变化的比值：

Δl

Δl

根据以下公式，选取合适的底板材料和初定预设温度：

L—变形区域大变形方向初始长度；

α

α

T

T

要求：

N

优选的，步骤S2中所述底板尺寸厚度为3～5mm。

优选的，步骤S3的具体步骤为基于确定的薄带材样品尺寸截取板形良好的冷轧薄带材样品，取所述薄带材一表面为观测面，另一表面为连接面，并基于黑、白色喷漆在薄带材样品观测面绘制原始散斑图案。

优选的，步骤S6中触发拍照的温度间隔由下式取得：

对所求得的ΔT向下取整，得到ΔT1，ΔT1作为实验中使用的触发拍照的温度间隔。

优选的，步骤S6中，在进行标定时，标定板尺寸以占据高速相机视野75～80％，将所述标定板置于样品观测位置，在各个方向做小范围转动，同时拍摄标定图像进行标定。

优选的，加热终温基于初定加热终温加30～50℃取定。

优选的，步骤S6中触发拍照的温度间隔的计算公式为：

对所求得的ΔT向下取整，得到ΔT1，ΔT1作为实验中使用的触发拍照的温度间隔。

一种冷轧薄宽带材浪形后屈曲变形的等效模拟装置，包括加热箱、滚涂机构、夹持机构、温度监测机构、补光灯、图像收集单元、图像处理单元；

其中加热箱用于将底板与薄带材样品加热到加热终温并进行保温；滚涂机构用于在上加热区域边沿涂抹耐高温胶水；夹持机构用于将底板约束在观测位置；温度监测机构用于获取薄带材样品在冷却过程中的温度变化；补光灯用于拍照过程中为所述高速相机补光；图像收集单元通过拍照记录薄带材样品的浪形演变过程；图像处理单元用于对拍照获取的图像进行后处理，以获取薄带材样品浪形演变过程中的形状、位移及应变数据。

本发明公开了以下技术效果：本发明利用冷却过程中，薄带材样品与底板热膨胀系数不同引起的变形不一致，使底板通过粘接区域驱动薄带材样品局部以更快的速率变形，促使薄带材样品出现屈曲变形并记录变形演变过程，所得结果可用于弹性屈曲理论及板形控制的研究。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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，对于本领域普通技术人员来讲，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。

图1为本发明冷轧薄宽带材浪形后屈曲变形的等效模拟方法与装置的流程图；

图2为模拟不同浪形时底板与薄带材样品变形区分布及二者粘接情况示意图；

图3为浪形后屈曲变形情况监测装置布局图；

图4为本发明中滚涂机构的结构示意图；

图5为本发明中夹具夹持薄带材样品的结构示意图；

其中，1、夹具；2、补光灯；3、高速相机；4、红外非接触式测温传感器。

具体实施方式

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、完整地描述，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，本领域普通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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-5，本发明提供一种冷轧薄宽带材浪形后屈曲变形的等效模拟方法，包括以下步骤：

S1:确定冷轧薄带材样品尺寸，基于所模拟浪形确定薄带材样品变形区域位置及尺寸，然后基于变形区域尺寸确定底板材料及初定加热终温；确定所要使用的冷轧薄带材样品的尺寸，根据确定的薄带材尺寸绘制代表该样品的二维草图，并根据将要模拟的浪形类型，在二维草图上确定薄带材样品变形区域的位置与尺寸，由变形区域尺寸选取合适的底板材料并初步确定加热的最终温度；

S2:确定底板尺寸，底板的尺寸基于薄带材样品尺寸确定，并基于薄带材样品变形区域位置及尺寸对底板进行加工处理；根据薄带材样品的尺寸确定的底板的尺寸并获取所需底板，预设薄带材样品在底板上居中放置粘接，由此确定薄带材样品的变形区域在底板上的对应位置，将底板上对应位置的材料切除，而后将底板用于粘接薄带材样品的表面打磨光滑平整；

S3:截取板形良好的冷轧薄带材样品，并绘制原始散斑图案,基于确定的薄带材样品尺寸截取板形良好的冷轧薄带材样品，取薄带材一表面为观测面，另一表面为连接面，并基于黑、白色喷漆在薄带材样品观测面绘制原始散斑图案；根据已确定的薄带材样品尺寸，获取板形状况良好的薄带材样品，使用无水乙醇与丙酮清理薄带材样品表面的油污，选取薄带材样品的某一表面为观测面，另一表面为连接面，然后使用黑色与白色喷漆在观测面绘制原始散斑图案。

S4：进行原始散斑质量评测，基于全场应变测试系统对原始散斑进行质量评测，若质量不合格，重新绘制，原始散斑质量合格后，基于标定板对原始散斑进行标定；布置高速相机3、红外非接触式测温传感器4、补光灯2、控制计算机等设备，构建非接触式全场应变测试系统，打开Vic-Snap软件对薄带材样品观测面的原始散斑图案进行质量检测，若不合格，重新绘制原始散斑；在原始散斑合格后，选取大小适用的标定板进行标定；

高速相机3、补光灯2及红外非接触式测温传感器4均布置于同侧，两高速相机3呈一定角度放置，镜头均朝向试样所在位置，并通过调节相机间夹角、距离以及焦距、镜头畸变等参数，使试样尽可能充斥高速相机3的整个视野，补光灯2采用比两高速相机3更大的夹角置于高速相机3外侧，红外非接触式测温传感器4则置于两相机之间。

高速相机3的内、外部参数确定后，将不同尺寸的标定板置于试样所在位置，选取占据相机视野75～80％的标定板，将曝光度设置为刚刚过度曝光的程度，在各个方向小幅度转动标定板，同时手动拍摄标定图像，所拍摄标定图像不少于25张，经软件分析得出标定校准分数，此处取该数值小于0.03视为标定成功。

S5：将底板与薄带材样品放入加热箱中加热到加热终温，然后取出底板与薄带材样品，在底板经过打磨的表面上，基于滚涂装置在底板表面涂抹耐高温胶水，将薄带材样品连接面与底板粘接，完成后将底板与薄带材样品一起放入加热箱中，保温一段时间，等待胶水凝固；

S6：对步骤S5中粘接完成的薄带材样品通过高速相机3进行观测并记录数据，拍照触发条件依温度间隔确定，将完成粘接的底板与薄带样品取出，基于夹具1夹持放置于观测台上，同时使用高速相机3拍照获取薄带材样品在冷却过程中的形状、位移及应变数据，拍照触发条件依温度间隔确定；

S7：对步骤S6中记录的数据进行处理，温度达到室温后，停止实验，将所拍照片全部传入Vic-3D系统进行处理，得到薄带材样品在底板的变形驱动下产生的屈曲变形随时间变化的全场应变云图。

进一步优化方案，步骤S1中薄带材样品变形区域为矩形。在满足需求的情况下为简化实验，薄带材样品的变形区域一般取为矩形，根据所要模拟的浪形的不同，该矩形变形区域所在的位置与尺寸不同，如模拟中浪、边浪、四分之一浪，变形区域在薄带材样品宽度方向方别置于中部、边部、四分之一处，而在薄带材样品长度方向则全部覆盖；又如模拟局部浪，则以长、宽均有限的矩形覆盖所希望产生局部浪形的区域；此外、对于其它更复杂的浪形，可改变变形区域的位置、尺寸乃至形状进行模拟。

进一步优化方案，步骤S1中底板材料及初定加热终温的确定步骤为：

预设变形区域，在温度变化相同的情况下，给定薄带材样品与底板在预设变形区域大变形方向上尺寸变化的比值：

Δl

Δl

根据以下公式，选取合适的底板材料和初定预设温度：

L—变形区域大变形方向初始长度；

α

α

T

T

要求：

N

进一步优化方案，步骤S2中底板尺寸厚度为3～5mm，长、宽基于薄带材样品长、宽尺寸加30～50mm取定，预设薄带材样品在底板上居中放置粘接，基于薄带材样品变形区域的位置及尺寸，确定底板上的对应区域，将以上底板上的对应区域切除，而后将底板粘接面打磨光滑平整。

底板取一定厚度，避免底板自身在垂直于表面的方向产生变形而影响薄带材样品的屈曲变形，也有利于完成两者的粘接及对底板的夹持过程，同时，将底板上与薄带材样品变形区域对应的区域切除，防止底板限制薄带材样品产生方向指向底板的屈曲变形。

进一步优化方案，步骤S3的具体步骤为基于确定的薄带材样品尺寸截取板形良好的冷轧薄带材样品，取薄带材一表面为观测面，另一表面为连接面，并基于黑、白色喷漆在薄带材样品观测面绘制原始散斑图案。

在薄带材样品观测面绘制原始散斑时，先用白漆在表面打底，而后在白色底面上使用黑色喷漆绘制随机排布的黑色散装斑点，绘制时应注意黑白色各占约50％，避免同色斑点的重叠，并尽可能提高斑点不规则度，如此更有利于获得质量合格的原始散斑图案。

进一步优化方案，步骤S6中触发拍照的温度间隔由下式取得：

对所求得的ΔT向下取整，得到ΔT1，ΔT1作为实验中使用的触发拍照的温度间隔。

进一步优化方案，步骤S6中，在进行标定时，标定板尺寸以占据高速相机3视野75～80％，将标定板置于样品观测位置，在各个方向做小范围转动，同时拍摄标定图像进行标定。

进一步优化方案，加热终温基于初定加热终温加30～50℃取定。

进一步优化方案，步骤S6中触发拍照的温度间隔的计算公式为：

对所求得的ΔT向下取整，得到ΔT1，ΔT1作为实验中使用的触发拍照的温度间隔。

一种冷轧薄宽带材浪形后屈曲变形的等效模拟装置包括加热箱、滚涂机构、夹持机构、温度监测机构、补光灯2、图像收集单元、图像处理单元；

其中，加热箱、滚涂装置两者作为单独的模块，与其他部分间没有具体的相互位置要求，夹持机构、温度监测机构(红外非接触式测温传感器4)、补光灯2、图像收集单元中的高速相机按图3中所示的相互位置关系进行布置，即夹持机构置于观测台上，以夹持机构为中心，将两个高速相机与两个补光灯2朝向夹持装置呈一定夹角对称放置，两补光灯2间所取夹角更大，红外非接触式测温传感器4正对夹持机构，与高速相机及补光灯2置于同一排。而后控制计算机置于高速相机后方，连接高速相机与红外非接触式测温传感器4，用于接受高速相机和红外非接触测温传感器4的信号并进行控制，图像处理单元为控制计算机中Vic-Snap软件的图像处理模块。

其中加热箱用于将底板与薄带材样品加热到加热终温并进行保温；滚涂机构用于在上加热区域边沿涂抹耐高温胶水；夹持机构用于将底板(及粘接其上的薄带材样品)约束在观测位置；温度监测机构用于获取薄带材样品在冷却过程中的温度变化；补光灯2用于拍照过程中为高速相机3补光；图像收集单元通过拍照记录薄带材样品的浪形演变过程；图像处理单元用于对拍照获取的图像进行后处理，以获取薄带材样品浪形演变过程中的形状、位移及应变数据。

本发明通过获取所需薄带材样品与底板，薄带材样品进行原始散斑绘制、监测及标定，底板进行切割、打磨，二者加热后粘接并保温，而后在冷却过程中，因底板的热膨胀系数比薄带材样品大，底板尺寸以更快的速度减小，并通过粘接驱动薄带材样品局部区域以更快的变形速率变形，最终使薄带材样品产生屈曲，同时使用全场应变测试系统记录薄带材样品上浪形缺陷的发生与发展过程，所得结果可用于弹性屈曲理论及板形控制技术的研究。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。