文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123393
基于克隆选择算法的试件内部多缺陷的识别算法研究
曹明宇,范春利,孙丰瑞
(海军工程大学动力工程系,湖北武汉 430033)
(Tel:**********, Email:mingyu0601@)
摘要:目前,由于传热反问题计算的复杂性,对试件内部缺陷形状的识别研究多局限在单一、简单的缺陷上,而对复杂多缺陷形状识别的研究则较少。本文通过将几何形状的识别问题转化为导热系数分布的寻优问题,以试件检测表面的温度分布为判别依据,利用人工免疫算法中的克隆选择算法,研究了试件内部复杂多缺陷的识别问题。数值实验表明该方法不仅大大降低了缺陷识别的复杂性,同时也是解决内部多缺陷识别问题的行之有效的计算方法。
基金项目:国家自然科学基金(50906099)
关键词:导热反问题;多缺陷形状识别;克隆免疫算法;导热系数分布;
0 引言
近些年,红外无损检测技术因其无损伤、可靠性高等特点被广泛应用于诸多领域,例如军事、航空、制药等[1]。其中,对试件内部缺陷几何形状的识别是缺陷诊断问题中重要的一个分支内容。
现阶段,各国研究人员多是通过红外热像仪等设备获得检测对象外表面温度,利用计算温度和实际检测温度的吻合程度对缺陷形状、大小、位置等进行反演识别。到目前为止,研究人员对利用导热反问题(inverse heat conduction problem,IHCP)进行缺陷几何形状的识别问题已经提出了一些行之有效的算法。
Hsieh and Su[2]等提出了一种通过物体表面检测温度识别内部空腔几何形状的方法。这种方法通过数值算例证明是种简有效的方法。但同时此方法也存在自身的局限性,只能用来识别矩形空腔的形状。
共轭梯度法是在缺陷几何形状的识别问题中应用比较广泛的一类方法。Huang等将共轭梯度法应用到不规则边界形状的识别问题[3-4]和瞬态情况下不规则边界形状的识别问题[5],经过大量数值试验,证明了算法在识别过程中都取得了较好的效果。Fan等[6]也利用共轭梯度法对试件内部单个缺陷的问题进行了讨论并通过数值试验验证了算法的有效性。但是研究发现对于一般具有较大导热系数的金属材料来说,缺陷形状的初始假设对最终的识别结果有很大的影响。Fan等[7]通过研究相关传热机理,结合共轭梯度法提出了多次测量综合法,成功解决了试件的初始假设对反演识别的影响的问题。
另一种常用的方法是一维修正算法。这种算法是将复杂的多维问题简化为一维模型进行处理,而经过这种简化造成的误差
则经过一系列的迭代过程进行修正。Yang等[8]讨论了一维修正算法在缺陷形状识别中的有效性。但这种算法有其自身的局限性,首先是算法最终识别的结果不能十分精确得收敛到真实缺陷形状;其次,进一步改善网格节点数可能得不到更加精确地结果,甚至导致最后结果发散。Fan等对已有的一维修正算法进行了改进,通过改变迭代修正过程并给定收敛条件,克服了已有算法的一些不足,通过研究试件分界面的形状识别问题[9]和圆管内表面形状识别问题[10],较改进前取得了更好的效果,验证了该算法在缺陷形状的识别问题中的有效性。
试件内部缺陷形状的识别问题在反演识别过程中因为涉及到识别形状不断改变,一般的处理方法是不断改变网格划分,但这样无疑大大增加了计算时间和计算复杂度。Fan等[11-12]提出了一种转化思想,通过将缺陷形状识别问题转化为有效导热系数识别,在一定程度上大大减少了运算的复杂程度。通过大量数值试验,证明了算法的有效性。
此外,Huang等还利用最速下降法对二维多个缺陷[13]和三维边界面上的缺陷[14]的形状进行了反演识别,并取得了较好的效果。
以上这些算法的研究对象多集中在外边界形状的识别上,对试件的内部缺陷形状进行识别的研究,针对的也多是单个、规则的缺陷。即使有对多缺陷问题开展的研究,在反演识别过程中也要给出一定的先验数据例如缺陷所在的位置等信息才能达到较精确地识别效果。但在实际应用中,缺陷形状的复杂程度和位置、个数等因素的未知性都限制了这些算法的应用。
本文的核心就是研究解决内部复杂多缺陷形状的识别问题。为了简化计算复杂度,本文将缺陷形状的识别问题转化为导热系数分布的寻优问题,再利用克隆选择算法解决了对复杂多缺陷的反演识别中的全局寻优问题。通过一系列的算例来验证算法的有效性。
1 模型及问题描述
本文要研究的二维模型的示意图如图1所示,其中对该模型的假设如下:
(1) 稳态传热;
(2) 试件内部为均匀导热系数,缺陷部分认为是空气成分;
(3) 缺陷和试件交界面处的温度、热流相等;
(4) 上边界和左边界是两个加热的对流换热边界条件,而下边界和右边界是散热的对流换热条件。
模型参数如表1所示。试件四周为实际的检