针对接触换热系数辨识的改进自适应优化方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种针对接触换热系数辨识的改进自适应优化方法及系统，包括：步骤S1：随机生成包含多数个体的初始种群；步骤S2：定义网格的材料热物性参数；建立基于有限体积法的热传导计算模型；步骤S3：计算得到结构各位置随时间变化的温度响应T

【技术实现步骤摘要】
针对接触换热系数辨识的改进自适应优化方法及系统


[0001]本专利技术涉及参数辨识、热传导逆问题分析
，具体地，涉及一种针对接触换热系数辨识的改进自适应优化方法及系统。

技术介绍

[0002]随着对无人飞行器在飞行速度、飞行距离的需求逐渐提高，高速无人飞行器的面临气动加热环境日益严酷。在严酷的气动加热条件下，热防护设计已经成为高速无人飞行器研制过程中一个重要且必不可少的环节。在热防护方案设计过程中，需要对弹体结构和设备开展热传导分析，并根据得到的温度响应给出满足要求的热防护方案。实际情况中，开展热传导分析的对象均由多个部件组成，各部件间通过接触界面发生热交换。接触界面换热将直接影响到结构内部设备温度计算的准确性。热交换过程受到接触界面两侧的温度和接触换热系数影响，若要提高计算精度，获得准确的接触换热系数是十分必要的。
[0003]研究表明，接触换热系数受到材料、压力、界面温度、粗糙度等多种因素影响。现有确定接触换热系数主要有稳态法和瞬态法。稳态法将需要测量接触换热系数的两种材料在针对其设计的专用装置中进行加热，使之达到稳态后得到若干测点的温度响应，再通过线性外推和求解得到接触换热系数。稳态法求解难度较低，但在工程实践中，压力、粗糙度等参数受到装配精度、加工精度等多方面影响，若通过稳态法对接触换热系数测量，则需要加工大量样件，分别针对大量工况开展试验，产生高昂的经济成本和时间成本，具有一定的局限性。瞬态法对需要测量接触换热系数的材料按一定边界条件进行加热，通过测点的温度响应对热物性参数进行反演计算，得到接触换热系数。瞬态法试验方法灵活，但反演计算难度较大。目前已有的反演方法主要是针对热物性参数或边界条件开展反演，未针对接触换热系数的特点进行改进。当加载热流条件较为复杂或测量存在误差时，反演精度存在一定不足。为方便工程设计人员对固体界面间的接触换热系数进行估计，有必要提供一种新的针对接触换热系数辨识进行改进的优化算法。
[0004]公开号为CN103616406A的专利技术专利，公开了一种用于测量固
‑
固接触界面换热系数的装置及测量方法。该专利技术提供一种用于测量固
‑
固接触界面换热系数的装置及其测量方法，该装置包括：工作台、加热装置、导正保温装置、加载装置和信息处理系统，并给出了响应的测量方法。该专利技术可用于研究固
‑
固接触温度、接触压力以及接触表面粗糙度对界面换热系数的影响。
[0005]公开号为CN102507636A的专利技术专利，公开了一种测定钢的快速冷却过程界面换热系数的方法，通过在工件表面焊接热电偶，通过温度采集模块读取表面温度变化数据，利用热处理软件的界面换热系数校验功能，得到冷却过程的界面换热系数。该专利技术可用于解决工件在快速冷却过程中，界面换热系数难以准确确定的问题。
[0006]但是，现有技术中存在以下局限：(1)需要为接触换热系数辨识生产制作专门的装置或试片，或需要在特定条件下进行测量，显著增加了经济成本；(2)需要为接触换热系数辨识开展不同参数条件下的一系列试验，时间成本较高。因此，为了克服上述不足，需要设
计一种方法，实现在实际结构条件下直接开展热试验参数快速辨识，降低辨识的时间和经济成本。

技术实现思路

[0007]针对现有技术中的缺陷，本专利技术提供一种针对接触换热系数辨识的改进自适应优化方法及系统。
[0008]根据本专利技术提供的一种针对接触换热系数辨识的改进自适应优化方法及系统，所述方案如下：
[0009]一方面，本专利技术提供了一种针对接触换热系数辨识的改进自适应优化方法，包括：
[0010]步骤S1：根据需辨识的接触换热系数的个数，随机生成包含多数个体的初始种群，每一个个体中包含一组接触换热系数[h1,h2,...,h
N
]；
[0011]步骤S2：基于需进行接触换热系数辨识的结构几何模型进行网格划分，定义网格的材料热物性参数；
[0012]设置用于热传导计算模型的初始条件和边界条件，建立基于有限体积法的热传导计算模型；
[0013]步骤S3：对于步骤S1中种群内的每一个个体，判断步骤S2中的热传导计算模型是否可解，若可解则对其进行计算，得到结构各位置随时间变化的温度响应T
cal
；
[0014]对于其中热传导计算模型不可解的个体，将适应度fit赋为缺省值，并跳转至步骤S6；
[0015]步骤S4：对于步骤S1中种群内的每一个个体，选择结构中指定位置的温度响应计算值T
cal,l
，计算测点在各计算时刻的温度变化率，得到各计算时刻基于温度变化率的权重w
i,t
；
[0016]步骤S5：对于步骤S1中种群内的每一个个体，基于步骤S4得到的权重w
i,t
和温度响应计算值T
cal,l,t
，将最终得到的新一代种群作为最终的接触换热系数进行热传导分析，根据辨识数据给出的对应位置实测值T
real,l,t
，计算个体的适应度fit；
[0017]步骤S6：对种群内所有个体的适应度进行评估，若种群内个体的平均适应度与最小适应度差值小于阈值，则完成优化；
[0018]将当前种群内适应度最小个体包含的接触换热系数作为该辨识的解，否则继续；
[0019]步骤S7：根据当前种群迭代次数和自适应参数，计算交叉概率p
c
和变异概率 p
m
的值，从当前种群中选择个体进行保留、交叉和变异，生产新一代种群，并重复步骤S3～步骤S6。
[0020]优选的，所述步骤S1包括：
[0021]对于所计算的一维结构，假设其共有N个零件与零件的接触界面，则共有N需要辨识的接触换热系数h，通过随机函数生成一个初始种群，种群中的每一个个体 j，均包含N个接触换热系数h，该个体可用接触换热系数数组H
j
表示为：
[0022]H
j
＝[h
j,1 h
j,2 ... h
j,N
](j＝1,2,...,J)
[0023]其中，j为个体在群体中的编号；
[0024]J为种群中的个体总数；
[0025]P
j
表示第j个个体中所有接触换热系数组成的数组；
[0026]h
j,n
表示第j个个体第n个(n＝1,2,...,N)零件接触界面的接触换热系数；
[0027]由个体组成的整个群体可采用二维数组表示为：
[0028][0029]优选的，所述步骤S2包括：
[0030]对于需要进行接触换热系数辨识的几何结构，采用有限体积法将其几何模型离散成一系列单元，采用显式进行求解；笛卡尔坐标系下一维非稳态导热微分方程的一般形式为：
[0031][0032]其中，ρ、c、λ、分别为材料的密度、比热容、导热系数、内热源项；
[0033]T和x分别为温度和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种针对接触换热系数辨识的改进自适应优化方法，其特征在于，包括：步骤S1：根据需辨识的接触换热系数的个数，随机生成包含多数个体的初始种群，每一个个体中包含一组接触换热系数[h1,h2,...,h
N
]；步骤S2：基于需进行接触换热系数辨识的结构几何模型进行网格划分，定义网格的材料热物性参数；设置用于热传导计算模型的初始条件和边界条件，建立基于有限体积法的热传导计算模型；步骤S3：对于步骤S1中种群内的每一个个体，判断步骤S2中的热传导计算模型是否可解，若可解则对热传导计算模型进行计算，得到结构各位置随时间变化的温度响应T
cal
；对于其中热传导计算模型不可解的个体，将适应度fit赋为缺省值，并跳转至步骤S6；步骤S4：对于步骤S1中种群内的每一个个体，选择结构中指定位置l的温度响应计算值T
cal,l
，计算测点在各计算时刻的温度变化率，得到各测点i和各计算时刻t基于温度变化率的权重w
i,t
；步骤S5：对于步骤S1中种群内的每一个个体，基于步骤S4得到的各计算时刻t的权重w
i,t
和该时刻对应的温度响应计算值T
cal,l,t
，将最终得到的新一代种群作为最终的接触换热系数进行热传导分析，根据辨识数据给出的对应位置实测值T
real,l,t
，计算个体的适应度fit；步骤S6：对种群内所有个体的适应度进行评估，若种群内个体的平均适应度与最小适应度差值小于阈值，则完成优化；将当前种群内适应度最小个体包含的接触换热系数作为该辨识的解，否则继续；步骤S7：根据当前种群迭代次数和自适应参数，计算交叉概率p
c
和变异概率p
m
的值，从当前种群中选择个体进行保留、交叉和变异，生产新一代种群，并重复步骤S3～步骤S6。2.根据权利要求1所述的针对接触换热系数辨识的改进自适应优化方法，其特征在于，所述步骤S1包括：对于所计算的一维结构，假设其共有N个零件与零件的接触界面，则共有N需要辨识的接触换热系数h，通过随机函数生成一个初始种群，种群中的每一个个体j，均包含N个接触换热系数h，该个体可用接触换热系数数组H
j
表示为：H
j
＝[h
j,1 h
j,2 ... h
j,N
](j＝1,2,...,J)其中，j为个体在群体中的编号；J为种群中的个体总数；P
j
表示第j个个体中所有接触换热系数组成的数组；h
j,n
表示第j个个体第n个零件接触界面的接触换热系数，n＝1，2，...，N；由个体组成的整个群体可采用二维数组表示为：其中，每一行为个体的接触换热系数数组H
j
，其总行数J即为总个体数，总个体的数量根
据计算能力和所需辨识的界面数量N确定。3.根据权利要求1所述的针对接触换热系数辨识的改进自适应优化方法，其特征在于，所述步骤S2包括：对于需要进行接触换热系数辨识的几何结构，采用有限体积法将几何结构离散成一系列单元，采用显式进行求解；笛卡尔坐标系下一维非稳态导热微分方程的一般形式为：其中，ρ、c、λ、分别为材料的密度、比热容、导热系数、内热源项；T和x分别为温度和坐标；τ表示时间；表示对温度T的时间τ求一次偏导；采用有限体积法对一维结构进行离散，对于每个控制体，根据能量平衡原理得到如下方程：其中，T
P
、T
W
、T
E
分别为当前控制体、当前控制体的左侧控制体和当前控制体的右侧控制体的温度；P表示当前控制体；W表示与当前控制体左侧相邻的控制体；E表示与当前控制体右侧相邻的控制体；Δτ表示离散后的计算时间步长；Δx为控制体宽度；表示当前时刻τ1的当前控制体的温度值；表示前一时刻τ0的当前控制体的温度值；(
‑
)0‑1表示该值取当前时刻τ1与前一时刻τ0的均值；表示与当前控制体左侧相邻的控制体W在当前时刻τ1与前一时刻τ0的均值；表示与当前控制体右侧相邻的控制体E在当前时刻τ1与前一时刻τ0的均值；当采用时间显式格式时，采用前一时刻τ0的值代替该均值，用差分代替微分，得到离散方程：其中，表示在当前时刻τ0与当前控制体右侧相邻的控制体E的温度值；表示在当前时刻τ0与当前控制体左侧相邻的控制体W的温度值；δx
w
、δx
e
分别当前控制点中心点到左侧控制点、右侧控制点中心点的距离，其分别可用
下式计算；δx
w
＝|x
p
‑
x
w
|δx
e
＝|x
p
‑
x
e
|其中，x
p
表示当前控制点的中心点的位置；x
w
表示与当前控制点左侧相邻的控制W的中心点w的位置；w表示与当前控制点左侧相邻的控制W的中心点；x
e
表示与当前控制点右侧相邻的控制E的中心点e的位置；e表示与当前控制点右侧相邻的控制E的中心点；对于材料间的内部边界，能够视为第三类边界条件；计算控制体的一侧边界包括：计算控制体左侧边界，由界面上热流相等得到，在任意时刻有：其中，h为对流换热系数；T
s
表示与流体接触的结构表面表面温度；s表示结构表面；T
f
为流体温度；f表示流体；采用时间显式格式，得到离散方程：其中，表示在前一计算时刻τ0时的流体温度；对离散方程进行整理，得到显式计算程序所采用的表达式：4.根据权利要求1所述的针对接触换热系数辨识的改进自适应优化方法，其特征在于，所述步骤S3包括：对于种群中的每个个体j中的每个界面n的接触换热系数h
j,n
，判断是否满足：h
j,n
＞0若不满足，则该个体生成的接触换热系数不具备实际物理意义，将热传导计算模型认定为不可解；若满足，则该个体生成的接触换热系数具备实际物理意义，认为热传导计算模型可解；对于可解的个体j，将个体的接触换热系数传入步骤S2建立的热传导正问题计算模型，有：
对于可解的个体，至此，步骤S2建立的热传导正问题计算模型已满足所有输入条件，对热传导正问题计算模型进行运算，即得所有节点在各计算时刻下的温度响应值T
cal
：其中，L为测点节点的总个数；V为计算时间点的总个数；T
cal,l,t
表示计算时刻点t时测点节点...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆云超，窦怡彬，李煜，李宗阳，许斌，
申请(专利权)人：上海机电工程研究所，
类型：发明
国别省市：