Integration einer komplexen Regelung in ein numerisches Prozessmodell von Ringwalzprozessen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das übergeordnete Ziel des Gesamtvorhabens war es, die prädiktive FEM-Simulation von Ringwalzprozessen zu ermöglichen und somit die Auslegung von Ringwalzprozessen sowie die Entwicklung neuer Verfahrensarten zu unterstützen. Im 1. Förderzeitraum wurden zum einen numerische Grundlagen für den Aufbau des FE- Simulationsmodells geschaffen und zum anderen ein industrieller Regler in das FE-Modell integriert. Darüber hinaus konnte ein eigener technologischer Regler, der die Kenntnis der genutzten Regelungsalgorithmen mit sich bringt, programmiert und in das Modell integriert werden. Dafür wurden zu Beginn der ersten Förderphase Walzversuche auf dem institutseigenen Ringwalzwerk durchgeführt, bei denen die wichtigsten Prozessgrößen aufgezeichnet und das Anlagenverhalten analysiert wurden. Mit diesen Daten konnten Simulationen ohne Integration des Regelverhaltens durchgeführt und so geeignete numerische Parameter für die Simulation ermittelt werden. Gleichzeitig konnten diese Versuche für eine spätere Bewertung der geregelten Simulationen genutzt werden. Im Rahmen der Simulationen ohne Integration des Regelverhaltens wurde das FE-Modell auf ein thermisch-mechanisch gekoppeltes FE- Modell erweitert, da die Kraft- und Momentenberechnung sowie -vorhersage so wesentlich genauer erfolgt. Anschließend konnte eine Schnittstelle zur Kopplung des industriellen Reglers implementiert und eine industrielle Regelungstask für alle Stellgrößen eingebunden werden. Da die industrielle Regelungstask nur die Walzstrategie „stehendes Axialgerüst“ beinhaltet und es aufgrund des Black-Box-Charakters nicht immer möglich war, die Unterschiede zwischen Simulation und Experiment zu identifizieren, wurde damit begonnen einen eigenen technologischen Regler zu programmieren. Die Ergebnisse welche mit Hilfe des selbst entwickelten technologischen Reglers erzielt wurden, stimmten grundsätzlich besser mit denen des Realversuchs überein, als die des industriellen Reglers. Aufgrund dessen wurde ein zusätzlicher Arbeitspunkt eingeführt, in dem geprüft wurde, ob die teilweise beobachteten Unstimmigkeiten in den berechneten Kräften und Momenten möglicherweise auf fehlerhafte Randbedingungen (Reibung, Strahlung) oder Abweichungen in der Anfangstemperatur des Blockes zurückzuführen sind. In der 2. Förderperiode wurde der Fokus auf die Ursachen der zum Teil vorhandenen geringen Abweichungen zwischen Realversuch und Simulation von Kräften und Momenten gelegt. Es wurden die Messungen der Walzmomente an der Ringwalzanlage überprüft sowie mit einem Thermografiesystem die Genauigkeit der thermischen Simulationsergebnisse überprüft. Hier wurden vollumfänglich gute Übereinstimmungen festgestellt. Weiterhin wurde das Materialverhalten in Bezug auf Erholung und Rekristallisation untersucht und so Einflüsse auf die Kraft- und Momentenberechnung überprüft. Es konnte festgestellt werden, dass der Einfluss der statischen Rekristallisation auf die Kraftberechnung unter bestimmten Voraussetzungen vernachlässigbar ist. Im Hinblick auf die Klärung der Ursache der Abweichungen in der Momentenvorhersage war es notwendig, einen technologischen Regler in Simulation und Experiment einzusetzen, dessen Algorithmen in allen Details bekannt sind. Da mit den Untersuchungen das Spektrum typischer Walzbedingungen abgedeckt werden sollte, wurde der bisher auf die Walzstrategie „stehendes Axialgerüst“ beschränkte Regler entsprechend erweitert sowie zur besseren Bedienbarkeit eine graphische Benutzeroberfläche programmiert. Die Gültigkeit der Simulationen wurde durch den Vergleich mit experimentellen Ergebnissen nachgewiesen. Insbesondere wurden die Geometrieentwicklung, die Kinematik der Werkzeuge und die Kräfte in Simulation und in Experiment verglichen und gute Übereinstimmungen erreicht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Finite element analysis of the ring rolling process with integrated closed-loop control, CIRP Annals - Manufacturing Technology, Vol 61, S. 267-270 (2012)
V. Jenkouk, G. Hirt, M. Franzke, T. Zhang
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.cirp.2012.03.115) - Numerical simulations supporting the process design of ring rolling processes, AIP Conference Proceedings Vol. 1532, NUMIFORM 2013, S.695-700 (2013)
V. Jenkouk, G. Hirt, J. Seitz
- Aktuelle Entwicklungen zur Auslegung und Optimierung von Umformprozessen, 21. Umformtechnisches Kolloquium Hannover, S. 227 - 244 (2014)
G. Hirt, J. Seitz, G. Schwich, V. Jenkouk
- Application of Finite Element Analysis Considering the Complex Kinematics of Axial Profiling and Dishing in Ring Rolling, International Conference ICRF 2014
G. Schwich, J. Seitz, V. Jenkouk, G. Hirt
- Effiziente Strategien zur Prozessauslegung und -optimierung beim Walzen, Stahl und Eisen, Vol. 134, S. 77-85 (2014)
G. Schwich, J. Seitz, G. Hirt, V. Jenkouk
- Prediction of microstructure and resulting rolling forces by application of a material model in a hot ring rolling process, Key Engineering Materials, Metalforming 2014, Vol. 622-623, S. 970-977 (2014)
G. Schwich, T. Henke, J. Seitz, G. Hirt
(Siehe online unter https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.622-623.970) - Selected Processes and Modeling Techniques for Rolled Products, Procedia Engineering, ICTP 2014, Vol 81, S. 18-27 (2014)
G. Hirt, S. Senge
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.proeng.2014.09.124) - Realistic Modelling of the Tool Kinematics of Radial- Axial Ring Rolling Machines in Finite Element Simulation, ESAFORM 2016
G. Schwich, V. Jenkouk, G. Hirt
(Siehe online unter https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.4963537)
