砂型铸件模拟仿真训练集生成方法、系统、设备和介质技术方案

本发明专利技术涉及一种砂型铸件模拟仿真训练集生成方法、系统、设备和介质，其包括以下步骤：将不同字体的字符作为铸件，生成多个基础砂型铸件图像；对得到的各基础砂型铸件图像进行扩展，生成用于保存材料参数的参数区；分别以各参数区内所包含的材料参数对各基础砂型铸件图像进行传热数值模拟，得到每张砂型铸件图像在相应时刻对应铸件形状的温度场结果；将包含有参数区的各基础砂型铸件图像及其对应的对温度场结果一一配对构成训练集，输入预先搭建好的卷积神经网络模型进行训练。本发明专利技术可以广泛应用于材料加工及人工智能领域。泛应用于材料加工及人工智能领域。泛应用于材料加工及人工智能领域。

Generation method, system, equipment and medium of sand casting simulation training set

【技术实现步骤摘要】
砂型铸件模拟仿真训练集生成方法、系统、设备和介质


[0001]本专利技术涉及材料加工及人工智能领域，尤其涉及一种砂型铸件模拟仿真训练集生成方法、系统、设备和介质。

技术介绍

[0002]目前，神经网络已覆盖日常生活中的方方面面，主要应用领域有目标检测、人脸识别、图像分割等。材料加工领域等传统领域也逐渐引入神经网络作为微观组织形貌识别、分类、重建的主要工具。在铸造领域，对铸造过程进行模拟仿真能够预测铸件凝固过程的温度场、应力场、组织场等，并且能够预测铸件缺陷。
[0003]常用的铸造过程模拟仿真方法为数值模拟，但是数值模拟要借助有限差分或有限元分析软件，而任何铸件或铸型等结构上的变化或参数的变化都需要重新计算，因此数值模拟方法计算量大，计算时间长，成本高。
[0004]采用深度学习、神经网络等人工智能领域的方法可以一定程度上替代数值模拟，开辟新的铸件凝固过程温度场等预测和铸件缺陷预测的新思路。在训练神经网络模型时往往需要大量的数据集，而采用CAD软件绘制难以生成大量的不同形状的铸件造型。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种砂型铸件模拟仿真训练集生成方法、系统、设备和介质，能够快速生成大量的砂型铸件模型数据作为卷积神经网络模型的训练集。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：
[0007]一种砂型铸件模拟仿真训练集生成方法，其包括以下步骤：将不同字体的字符作为铸件，生成多个基础砂型铸件图像；对得到的各基础砂型铸件图像进行扩展，生成用于保存材料参数的参数区；分别以各参数区内所包含的材料参数对各基础砂型铸件图像进行传热数值模拟，得到每张砂型铸件图像在相应时刻对应铸件形状的温度场结果；将包含有参数区的各基础砂型铸件图像及其对应的温度场结果一一配对后构成训练集，输入预先搭建好的卷积神经网络模型进行训练。
[0008]进一步，所述将不同字体的字符作为铸件，生成多个基础砂型铸件图像的方法，包括：将不同字体的字符作为铸件，生成符合单连通标准的多个初始砂型铸件图像；在各初始砂型铸件图像的预设部位添加冷铁，并同时保留不加冷铁和加冷铁后的砂型铸件图像；在各加冷铁和不加冷铁的砂型铸件图像的顶部添加冒口及保温冒口套，并同时保留不加保温冒口套和加保温冒口套的砂型铸件图像；将各砂型铸件图像的冒口像素值改为铸件灰度值，得到多个基础砂型铸件图像。
[0009]进一步，所述将不同字体的字符作为铸件，生成符合单连通标准的多个初始砂型铸件图像的方法，包括：在文本编辑软件下建立表格，并在表格的各单元格中输入不同字体的字符，以字符代表铸件，单元格的其他区域代表砂型，按照预设规则对单元格及字符格式进行设置后，将表格放大输出得到包含所有字符的灰度图像；将得到的灰度图像按照表格
的行数和列数进行等间距分割，得到多个灰度子图，每幅灰度子图均大小相同，且仅包含一个字符；在每幅灰度子图的字符所在像素位置随机剪切一个大小随机的基础图形区域，并将该被剪掉区域的灰度值改为背景灰度值，重复操作多次后，得到基于每一幅灰度子图的多张剪切灰度子图；针对得到的所有剪切灰度子图，对图中字符的连通性进行检查，舍弃不符合单连通标准的剪切灰度子图，并将剩余的剪切灰度子图作为初始砂型铸件图像。
[0010]进一步，所述在各初始砂型铸件图像的预设部位添加冷铁的方法，包括：沿各初始砂型铸件图像中字符的最底边，向下扩展预设数量的像素，并将所有的扩展像素的颜色灰度值设置为第一预设值，作为铸造过程中的冷铁。
[0011]进一步，所述在各加冷铁和不加冷铁的砂型铸件图像的顶部添加冒口及保温冒口套的方法，包括：首先，对各砂型铸件图像中的字符进行识别，并在各字符的顶部的正上方添加下小上大的梯形冒口，所述梯形冒口的下底边长度为字符宽度的一半，且不小于字符最顶部的宽度，然后将所述梯形冒口的灰度值设置为第二预设值；其次，针对每幅砂型铸件图像中的梯形冒口，在两侧添加同其外轮廓的壳层，且外轮廓的水平厚度为预设值，并将壳层像素的灰度值设置为第三预设值，作为保温冒口套。
[0012]进一步，对得到的各基础砂型铸件图像进行扩展时，包括：在各基础砂型铸件图像的一侧扩展6列像素作为参数区，其中，第一列～第四列分别用于保存铸件参数、砂型参数、冷铁参数和保温冒口套参数，且其参数记录顺序为：材料的密度、比热、导热系数、液相线温度、固相线温度、结晶潜热、黑度、初始温度，其余备用；第五列用于保存界面换热系数，且其参数记录顺序为：铸件与砂型的界面换热系数、铸件与冷铁的界面换热系数、铸件与保温冒口套的换热系数、铸件与环境的换热系数、冷铁与砂型的换热系数、保温冒口套与砂型的换热系数、砂型与环境的换热系数、保温冒口套与环境的换热系数；第六列保存铸件浇注后的冷却时间。
[0013]进一步，将训练集输入卷积神经网络模型进行训练时，包括：以矩阵的形式读入各包含有参数区的基础砂型铸件图像数据，该图像大小为(m+6)*m，其中，m为基础砂型铸件图像的长宽；对读入的基础砂型铸件图像数据的最后6列进行拆分，并保留基础砂型铸件图像数据作为模型数据矩阵；根据模型数据矩阵的分布情况，将最后6列参数按照对应关系拓展为m*m*n大小的矩阵，得到最终输入的大小为i*m*m*(n+1)的训练集，其中，i为训练集中砂型铸件图像的个数，n为参数类型的个数。
[0014]第二方面，本专利技术提供一种砂型铸件模拟仿真训练集生成系统，包括：基础砂型铸件图像生成模块，用于将不同字体的字符作为铸件，生成多个基础砂型铸件图像；参数区扩展模块，用于对得到的各基础砂型铸件图像进行扩展，生成用于保存材料参数的参数区；传热数值模块模块，用于分别以各参数区内所包含的材料参数对各基础砂型铸件图像进行传热数值模拟，得到每张砂型铸件图像在相应时刻对应铸件形状的温度场结果；训练集生成模块，用于将包含有参数区的各基础砂型铸件图像及其对应的对温度场结果一一配对后构成训练集，输入预先搭建好的卷积神经网络模型进行训练。
[0015]第三方面，本专利技术提供一种处理设备，所述处理设备至少包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序时执行以实现所述砂型铸件模拟仿真训练集生成方法的步骤。
[0016]第四方面，本专利技术提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机可读指令，所述计
算机可读指令可被处理器执行以实现所述砂型铸件模拟仿真训练集生成方法的步骤。
[0017]本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
[0018]1、本专利技术以不同字符为铸件，可以快速构建海量的铸件图形集，铸件形状覆盖面全面，且不重复，在节约存储空间的同时还保留了数据的完整度。
[0019]2、本专利技术中在铸件图像上进行扩展得到参数区，用于保存材料参数，可变信息包括铸件形状、材料参数、初始温度、冷却时间参数，均需包含在训练集中。
[0020]3本专利技术提供的砂型铸件模型泛化能力强，可以预测任意铸件形状，带冷铁、保温套情况下的不同时刻的铸件的温度场结果。
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种砂型铸件模拟仿真训练集生成方法，其特征在于包括以下步骤：将不同字体的字符作为铸件，生成多个基础砂型铸件图像；对得到的各基础砂型铸件图像进行扩展，生成用于保存材料参数的参数区；分别以各参数区内所包含的材料参数对各基础砂型铸件图像进行传热数值模拟，得到每张砂型铸件图像在相应时刻对应铸件形状的温度场结果；将包含有参数区的各基础砂型铸件图像及其对应的温度场结果一一配对后构成训练集，输入预先搭建好的卷积神经网络模型进行训练。2.如权利要求1所述的一种砂型铸件模拟仿真训练集生成方法，其特征在于，所述将不同字体的字符作为铸件，生成多个基础砂型铸件图像的方法，包括：将不同字体的字符作为铸件，生成符合单连通标准的多个初始砂型铸件图像；在各初始砂型铸件图像的预设部位添加冷铁，并同时保留不加冷铁和加冷铁后的砂型铸件图像；在各加冷铁和不加冷铁的砂型铸件图像的顶部添加冒口及保温冒口套，并同时保留不加保温冒口套和加保温冒口套的砂型铸件图像；将各砂型铸件图像的冒口像素值改为铸件灰度值，得到多个基础砂型铸件图像。3.如权利要求2所述的一种砂型铸件模拟仿真训练集生成方法，其特征在于，所述将不同字体的字符作为铸件，生成符合单连通标准的多个初始砂型铸件图像的方法，包括：在文本编辑软件下建立表格，并在表格的各单元格中输入不同字体的字符，以字符代表铸件，单元格的其他区域代表砂型，按照预设规则对单元格及字符格式进行设置后，将表格放大输出得到包含所有字符的灰度图像；将得到的灰度图像按照表格的行数和列数进行等间距分割，得到多个灰度子图，每幅灰度子图均大小相同，且仅包含一个字符；在每幅灰度子图的字符所在像素位置随机剪切一个大小随机的基础图形区域，并将该被剪掉区域的灰度值改为背景灰度值，重复操作多次后，得到基于每一幅灰度子图的多张剪切灰度子图；针对得到的所有剪切灰度子图，对图中字符的连通性进行检查，舍弃不符合单连通标准的剪切灰度子图，并将剩余的剪切灰度子图作为初始砂型铸件图像。4.如权利要求2所述的一种砂型铸件模拟仿真训练集生成方法，其特征在于，所述在各初始砂型铸件图像的预设部位添加冷铁的方法，包括：沿各初始砂型铸件图像中字符的最底边，向下扩展预设数量的像素，并将所有的扩展像素的颜色灰度值设置为第一预设值，作为铸造过程中的冷铁。5.如权利要求2所述的一种砂型铸件模拟仿真训练集生成方法，其特征在于，所述在各加冷铁和不加冷铁的砂型铸件图像的顶部添加冒口及保温冒口套的方法，包括：首先，对各砂型铸件图像中的字符进行识别，并在各字符的顶部的正上方添加下小上大的梯形冒口，所述梯形冒口的下底边长度为字符宽度的一半，且不小于字符最顶部的宽度，然后将所述梯形...

【专利技术属性】
技术研发人员：康进武，韩晓，王纪武，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：