一种区块风冷金属件三维温度场实时重构方法

技术领域

本发明涉及一种温度场监测的方法，特别涉及一种区块风冷金属件三维温度场实时重构方法，属于金属热处理技术领域。

背景技术

热处理过程是改善金属及合金性能(提高耐磨性、强度、韧性等)的主要工艺方法，包括加热及冷却过程。冷却过程也称为淬火，常规的水冷及自然风冷工艺容易产生热应力，原因是厚度不均匀的金属构件冷却温度变化率不均匀，从而给后续加工造成变形等不良后果。近年出现的以高速气体为冷却介质的淬火过程，可以根据工件厚度，控制不同区域的风速调节其冷却速度，以实现金属构件不同厚度上均匀温度场冷却。区块风冷虽然降低了工件热处理应力，提高工件质量，但要求冷却系统可以根据工件实时温度调节风速，因此实时获取工件温度的准确分布，成为实现金属构件整体均匀冷却的关键。

中国专利CN 113444860 B公开了一种针对厚度差异大的工件的淬火方法，具体方法是测量工件各处的有效厚度；按照有效厚度差异将工件划分成多个淬火区域；在各淬火区域上分别设置能覆盖其表面的冷快装置和激冷装置，所述快冷装置包括风机；启动激冷装置，对工件各个淬火区域执行激冷工序，执行时间T1；执行时间完成后，测量各淬火区域的表面温度；将各淬火区域的表面温度与所述风冷工序的起始温度和终止温度比较；然后对高于终止温度的区域重复进行冷却，重复循环测量和冷却的步骤最终达到工件冷却淬火的效果。这种按照工件有效厚度划分淬火区域的方法是不科学的会受到多种因素的影响，例如加热过程中工件各区域加热不均，同时通过启动激冷装置的执行时间控制冷却效果也是缺乏数据支持；另外重复循环测量和冷却的步骤也会影响淬火的效果和淬火的效率。因此在淬火过程中需要根据工件实时温度调节风速，实时获取工件温度的准确分布是关键。

CN116007759A，公开了一种电池温度场生成方法，通过采集红外温度图像，得到带电池模组温度图像，并根据坐标对应关系，将二维温度映射为三维温度，同时根据电池模组的属性信息，对三维温度场进行修正，得到电池模组对应的目标温度场。

CN115048820A公开了一种电化学储能集装箱的三维温度场动态重构方法及装置，在预设时间段内采集电化学储能集装箱内设备的三维坐标点云数据、热成像温度数据和温度测点数据；将三维坐标点云数据、热成像温度数据和温度测点数据进行数据融合，生成三维温度空间点位数据；基于三维温度空间点位数据构建当前三维空间温度场，并基于预设更新周期对当前三维空间温度场进行周期性更新，生成不同时间段的三维空间温度场。

目前对于区块风冷金属件温度场的快速实时重构并没有成熟的系统方案。现有温度场重构技术中无论是基于多源传感器融合还是理论模型与物理模型融合的温度场建立方法，不但实时性难以保证，而且由于对传感器及理论模型的随机误差进行了简化，得到的温度场的温度值存在较大误差。

发明内容

发明目的：本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种区块风冷金属件三维温度场实时重构方法，本专利基于正态分布的模型方差最优估计，通过离线标校和在线数据实时快速融合，对热处理工件温度场的理论模型及观测值的随机误差进行矫正，实现工件高精度温度场的快速实时重构。

技术方案：一种区块风冷金属件三维温度场实时重构方法，包括以下步骤：

S1、根据待处理工件厚度分区，按厚度不同，划分区域集合A＝{a

S2、提取表面温度特征点；

S3、统计分析特点温度值获取温度分布规律；

S4、最优化平面特征点估计温度值；

S5、重构实时平面温度场；

S6、重构实时三维温度场。

本发明针对分区风冷热处理工件温度场快速实时预测，包括离线预处理及在线重构相结合的方法。离线预处理包括工件分区、温度特征点提取及测温传感器统计分析；在线重构则包括基于方差最优进行工件平面特征点温度最优估计、工件平面及内部温度场实时重构。

优选项，为了提取工件表面温度特征点，所述S2中提取表面温度特征点的方法如下：

S2.1、通过数值分析方法，对工件进行自然冷却条件下的瞬态热传导分析，获取工件典型工况下的温度场分布；

S2.2、根据计算得到的工件表面温度梯度，选取工件上下表面的温度特征点C

优选项，为了进一步选取工件上下表面的温度特征点，所述选取工件上下表面的温度特征点C

S2.2.1、若获得的温度值梯度极大点为局部最大且离散分布，按极大值的数量划分区域B＝{b

式中：n为子分区数目，S

S2.2.2、若数值分析结果的梯度最大值为连续分布，则按等面积的方法，将相同温度区域均匀划分为j个子区域，同样有B＝{b

S

式中：s

按上述方法得到的子区间b

优选项，为了分析特点温度值获取温度分布规律，所述S3统计分析特点温度值获取温度分布规律的具体方法如下：

由测温仪测量温度特征点C

优选项，为了优化平面特征点估计温度值，所述S4最优化平面特征点估计温度值的方法如下：

S4.1、根据工件工况初始化温度场及协方差矩阵；

在区域a

式中，T

根据傅里叶导热定律温度理论：

式中，ρ为工件密度，c为工件比热容，

其差分形式方程为：

式中，T(k)表示为特征点处t＝k时刻的温度，Δt表示两个时刻之间的时间间隔；

对于区域a

T

φ(k)为该点热能的变化，与该区域冷却风速有关，通过实验确定，F(k)与B(k)为温度及流量系数矩阵；

对于t＝k时刻，根据式(7)，有先验估计值：

为t＝k-1时刻的最优估计值，/>

由测温仪得到t＝k时刻的测量估计值为：

H为温度系数矩阵；

由式(8)和式(9)，可得温度特征点温度向量t＝k时刻最优估计值为：

式(10)中，α为最优估计增益,；

为了计算a，取真实值与最优估计值之间的协方差矩阵为：

R为测量高斯随机白噪声协方差矩阵，由式(4)确定；

令方差最小的最优目标函数为：∑

可得：

式(13)中误差协方差矩阵为：

可得

式(14)中协方差矩阵Q为预测过程噪声协方差矩阵，其值为自然冷却实验测得的特征点温度值与分区冷却测得的特征点温度值的方差，可表示为式(16)；

式(16)中，ΔT为特征点两种实验状态相同时刻的温度差，n为该特征点的采样次数；

优选项，为了重构实时平面温度场，所述步骤S5重构实时平面温度场的方法如下：

基于上述t时刻的区域a

对于平面区域a

式中x，y为平面区域点W的坐标值，x

相应的权重系数：

式中e为该区域特征点的个数；

则该点的温度为：

对于上下平面内所有a

优选项，为了重构实时三维温度场，所述步骤S6中重构实时三维温度场的方法如下：

基于t时刻上述上下表面二维温度场分布T(x,y,z)，取工件上表面任意一点温度T

δ为工件在该区域内的厚度，x，y，z分别为工件空间坐标，T

工件内部任意位置T

表面温度场T(x,y,z,t)及工件内温度场T

有益效果：本发明基于正态分布的模型方差最优估计，结合离线预处理及二维及三维温度场重构相结合的方法，通过热处理工件温度场的理论模型及观测值的随机误差进行矫正，实现工件高精度温度场的快速实时重构；针对工件结构特点，通过采用离线预处理与实时重构结合、二维及三维温度场重构结合的方法简化系统，从而提高三维温度场重构的速度，满足风冷闭环控制系统实时快速检测温度场要求；基于正态分布的模型方差最优估计，对系统随机误差进行了优化，能提高温度场的精度。

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，下面将对实施例或现有技术描述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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明整体流程图；

图2为本发明工件分区示意图；

图3为本发明瞬态温度场分布示意图；

图4为本发明梯度连续分布下的工件分区及特征点分布示意图；

图5为本发明最优化估计流程图；

图6为本发明工件内部温度场估计示意图。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“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和简化描述，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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1和2所示，一种区块风冷金属件三维温度场实时重构方法，针对分区风冷热处理工件温度场快速实时预测，包括离线预处理及在线重构相结合的方法(如图1所示)。离线预处理包括工件分区、温度特征点提取及测温传感器统计分析；在线重构则包括基于方差最优进行工件平面特征点温度最优估计、工件平面及内部温度场实时重构。

包括以下步骤：

S1、根据待处理工件厚度分区，按厚度不同，划分区域集合A＝{a

S2、提取表面温度特征点；

如图3所示，为了提取工件表面温度特征点，所述S2中提取表面温度特征点的方法如下：

S2.1、通过数值分析方法，对工件进行自然冷却条件下的瞬态热传导分析，获取工件典型工况下的温度场分布；

S2.2、根据计算得到的工件表面温度梯度，选取工件上下表面的温度特征点C

为了进一步选取工件上下表面的温度特征点，所述选取工件上下表面的温度特征点C

S2.2.1、若获得的温度值梯度极大点为局部最大且离散分布，按极大值的数量划分区域B＝{b

式中：n为子分区数目，S

S2.2.2、若数值分析结果的梯度最大值为连续分布，则按等面积的方法，将相同温度区域均匀划分为j个子区域，同样有B＝{b

S

式中：s

按上述方法得到的子区间b

S3、统计分析特点温度值获取温度分布规律；

为了分析特点温度值获取温度分布规律，所述S3统计分析特点温度值获取温度分布规律的具体方法如下：

由测温仪测量温度特征点C

S4、最优化平面特征点估计温度值；

如图5所示，在冷却过程中，基于上述数学模型，对t时刻在区域a

S4.1、根据工件工况初始化温度场及协方差矩阵；

在区域a

式中，T

根据傅里叶导热定律温度理论：

式中，ρ为工件密度，c为工件比热容，

其差分形式方程为：

式中，T(k)表示为特征点处t＝k时刻的温度，Δt表示两个时刻之间的时间间隔；

对于区域a

T

φ(k)为该点热能的变化，与该区域冷却风速有关，通过实验确定，F(k)与B(k)为温度及流量系数矩阵；

对于t＝k时刻，根据式(7)，有先验估计值：

为t＝k-1时刻的最优估计值，/>

由测温仪得到t＝k时刻的测量估计值为：

H为温度系数矩阵；

由式(8)和式(9)，可得温度特征点温度向量t＝k时刻最优估计值为：

式(10)中，α为最优估计增益,；

为了计算α，取真实值与最优估计值之间的协方差矩阵为：

R为测量高斯随机白噪声协方差矩阵，由式(4)确定；

令方差最小的最优目标函数为：∑

可得：

式(13)中误差协方差矩阵为：

可得

式(14)中协方差矩阵Q为预测过程噪声协方差矩阵，其值为自然冷却实验测得的特征点温度值与分区冷却测得的特征点温度值的方差，可表示为式(16)；

式(16)中，ΔT为特征点两种实验状态相同时刻的温度差，n为该特征点的采样次数；

S5、重构实时平面温度场；

重构实时平面温度场的方法如下：

基于上述t时刻的区域a

对于平面区域a

式中x，y为平面区域点W的坐标值，x

相应的权重系数：

式中e为该区域特征点的个数；

则该点的温度为：

对于上下平面内所有a

S6、重构实时三维温度场。

重构实时三维温度场的方法如下：

基于t时刻上述上下表面二维温度场分布T(x,y,z)，取工件上表面任意一点温度T

δ为工件在该区域内的厚度，x，y，z分别为工件空间坐标，T

工件内部任意位置T

表面温度场T(x,y,z,t)及工件内温度场T

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。