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:123279
基于对面红外检测的材料内部缺陷混沌-LM混合识别算法研究
吕事桂,杨立,范春利,孙丰瑞
(海军工程大学船舶与动力学院动力工程系热工教研室,武汉 430033)
(Tel: 027-83443367, E-mail: lvshiguitg@)
摘要建立了材料内部带有矩形缺陷的二维传热模型,利用混沌算法全局收敛和LM算法快速收敛的相对优势提出了采用瞬态对面红外检测法结合混沌-LM混合解法处理缺陷定量识别传热反问题非线性性、不适定性求解难点的新方法,引入了相对敏感系数分析评估缺陷描述参数定量可检测性的新观点。通过分析缺陷不同尺寸、方位描述参数的相对敏感系数指出了各描述参数定量可检测性之间具有差异性的结论,并针对依靠单一红外检测方式无法准确定量识别的个别缺陷描述参数提出通过在试件冷却面附近内置热电偶补充测温的方案来提高其定量识别准确性。文中通过数值实验对不同测温误差、初始假设等影响因素下的缺陷识别算例进行了实验,验证了相对敏感系数分析缺陷描述参数可检测性的正确性以及内置热电偶补充测温提高参数定量识别准确性的可行性,证明了混沌-LM混合解法的有效性,表明该算法受初始假设影响不大具有稳定的识别结果,能够获得全局最优解。
关键词红外检测;缺陷识别;混沌算法;Levenberg-Marquardt法;导热反问题;全局最优
0 引言基金项目:国家自然科学基金资助项目(50906099)
作者简介:吕事桂(1986-),男,博士生,主要从事红外检测与故障诊断研究。Email: lvshiguitg@
导师简介:杨立(1962-)男,教授,博士生导师,博士,主要从事传热、传质、热流体学及应用与热工诊断测量研究。Email:lyang39@
材料缺陷作为一种常见的设备故障模式,其安全检测的研究对提高航空、航天器的安全可靠性,机电设备的探伤与维护,机械设备、大型建筑金属结构件裂纹、焊接状况、锈蚀的评估检测等都具有重要意义[1,2]。目前,针对材料无损检测主要发展了射线检测(RT)、超声检测(UT)、磁粉检测(MT)、渗透检测(PT)和电磁检测(ET)等常规检测方法。尽管这些方法各有所长,但也存在各自的局限性,如不适用于现场在线检测、效率低、成本高等。为此,有必要开展新检测技术的研究以弥补现有常规检测方法的不足。红外热成像无损检测技术因具有实时快速、易于实现自动化、适合于大面积检测等独特优势正成为一种新发展起来的材料缺陷无损检测方法,并受到广泛的关注。然而,传统红外热像检测的研究大部分还停留在定性的水平上,即根据红外检测到的物体表面温度信息只能作出“有”或“无”故障的定性判断,难以对缺陷的位置、尺寸及严重程度进行定量诊断。随着安全生产对检测精确性要求的提高,现阶段红外热成像无损检测技术在材料缺陷检测的应用研究正朝着定量诊断识别发展趋势转变。
材料缺陷的定量识别本质上属于导热反问题的范畴,其识别过程从一个待辨识参数的初始假设出发并通过反问题算法不断对该初始假设进行迭代修正使其满足收敛条件最终获得定量识别结果。于慧等人从理论上证明了利用红外检测技术与导热反问题相结合的方法对设备内部缺陷进行定量诊断的可行性[3]。随着传热反问题理论的不断发展,目前很多算法得到了发展和应用,主要有遗传算法[4]、粒子群优化算法[5]、正则化方法[6]和数值搜索算法[7]等。其中Levenberg-Marquardt (LM) 算法因具有求解思路简单、收敛速度较快等优势在材料缺陷定量识别方面得到了较多应用[8-10],但这些应用多在稳态检测状况下把各缺陷参数当作一个整体来考察其可定量检测性,缺乏不同缺陷描述参数可检测性的比较研究。而且,由于缺陷识别反问题的非线性、不适定特点,检测面温度与内部缺陷的映射关系是非凸的,具有多极值性,LM算法应用在没有足够多的先验信息给出好的待识别参数初始假设时,不能保证算法的全局收敛性。
混沌是存在于非线性系统中的一种较为普遍的现象,其运动具有遍历性并非杂乱无章,在一定范围内按其“自身规律”不重复地遍历所有状态,故利用混沌变量进行优化搜索能够跳出局部最优解达到全局收敛。目前,有关利用混沌进行优化的研究还较少,文献[11]曾采用载波的混沌变量提出一种优化方法,利用混沌变量的遍历性,总可以搜索到全局最优解,但是某些状态需要很长时间才能达到,如果最优值在这些状态时,计算量可能是很大的;文献[12]联合采用混沌优化算法和梯度正则化方法求解材料热传导系数随温度变化规律,结果表明其计算量远比经典遗传算法和单纯采用混沌优化方法小。
本文综合考虑LM算法快速收敛和混沌优化算法全局收敛性的优势,采用混沌-LM混合解法结合瞬态对面红外检测法解决了单一LM算法在设备材料缺陷定量识别中