基于扇环插值的内壁多尺度热场图案的构造方法.pdf
《基于扇环插值的内壁多尺度热场图案的构造方法.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于扇环插值的内壁多尺度热场图案的构造方法.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 44卷 第 4期2023年 8月Vol.44 No.4August 2023内燃机工程Chinese Internal Combustion Engine Engineering基于扇环插值的内壁多尺度热场图案的构造方法李泉良1,王肖霞1,杨风暴1,王凯2,3(1.中北大学 信息与通信工程学院,太原 030051;2.内燃机可靠性国家重点实验室,潍坊 261000;3.潍柴动力股份有限公司,潍坊 261000)Construction Method of Multi-Scale Thermal Field Patterns for Inner Walls Based on Fan-Ring
2、 InterpolationLI Quanliang1,WANG Xiaoxia1,YANG Fengbao1,WANG Kai2,3(1.School of Information and Communication Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.State Key Laboratory of Engine Reliability,Weifang 261000,China;3.Weichai Power Company Limited,Weifang 261000,China)Abstract:In
3、order to achieve focused monitoring of thermal fatigue damage in the internal combustion engine cylinder head nose region and obtain highly discriminative reconstructed images,a multi-scale thermal field pattern construction method based on fan ring interpolation was proposed.Combined with the therm
4、al field distribution law of the cylinder head inner wall of the internal combustion engine,the cylinder head fire surface was divided into multi-scale thermal field regions,and the probability of thermal fatigue damage in each area of the inner wall was dissected to determine its resolution.Then,ba
5、sed on the idea of arc interpolation,the divided multi-scale thermal field region was discretized into a fan ring region composed of multiple arc point groups.The fan ring thermal field pattern was obtained by interpolating each arc in the fan ring region separately,and then the fan ring thermal fie
6、ld pattern was combined into a multi-scale thermal field pattern.Finally,the constructed multi-scale thermal field pattern was correlated with the thermal energy of the outer wall of the cylinder head to reconstruct the image of the inner wall of the cylinder head.In order to verify the rationality
7、of the method in this paper,the reconstructed inner wall image was compared with the reconstructed image based on the bilinear interpolation of the constructed thermal field pattern.The results show that the contrast between the reconstructed images with and without cracks are 74.77%and 75.09%respec
8、tively higher than that of the reconstructed images with the bilinear interpolation-based thermal field pattern,and the structural similarity and peak signal-to-noise ratio are also slightly improved.It is also more conducive to the detection of cracks and other defects caused by thermal fatigue dam
9、age and the quality improvement of reconstructed images of non-focused inspection areas.摘要:为了实现对内燃机气缸盖鼻梁区热疲劳损伤的重点监测,获得高辨识度重构影像,提出了一种基于扇环插值的多尺度热场图案构造方法。首先,结合内燃机气缸盖内壁的热场分布规律,将气缸盖火力面划分成多尺度的热场区域,剖析内壁各区域易出现热疲劳损伤的机率,确定其分辨率。其次,基于圆弧插补的思想,把划分好的多尺度热场区域离散成由多条圆文章编号:1000-0925(2023)04-0068-09440049收稿日期:2022-10-18
10、修回日期:2023-01-04基金项目:内燃机可靠性国家重点实验室开放课题项目(skler202011);山西省回国留学人员科研资助项目(2021)Foundation Item:Open Project of State Key Laboratory of Internal Combustion Engine Reliability(skler202011);Research Project Supported by Shanxi Scholarship Council of China(2021)作者简介:李泉良(1998),男,硕士生,主要研究方向为关联成像,E-mail:;王肖霞(通信
11、作者),E-mail:。内燃机工程2023年第 4期弧点群组成的扇环区域。然后,对扇环区域内的每条圆弧分别进行插值得到扇环热场图案,再将各个扇环热场图案组合成多尺度热场图案。最后,将构造出的多尺度热场图案和缸盖外壁的热能进行关联运算,重构出气缸盖内壁影像。为了验证本文方法的合理性,将重构出的内壁影像与基于双线性插值构造热场图案下的重构影像进行对比分析。分析结果表明,本文采用的方法重构出的有裂纹和无裂纹气缸盖内壁影像对比度较基于双线性插值方式构造热场图案的重构影像提升了 74.77%和 75.09%,结构相似度和峰值信噪比也略有提升,且本文中采用的方法更利于热疲劳损伤所导致的裂纹等缺陷的检测和非
12、重点检测区域重构影像的质量提升。关键词:内燃机;热场图案;多尺度;关联成像;圆弧插补;图像处理Key words:internal combustion engine;thermal field pattern;multiscale;correlation imaging;circular interpolation;image processingDOI:10.13949/ki.nrjgc.2023.04.009中图分类号:TK4220概述内燃机作为目前最重要的动力机械之一,对其进行定时检测是提高效率和延长使用寿命的重要手段。由于内燃机气缸盖内壁长期处于极端工作环境,气缸盖内壁易出现磨损、裂
13、纹和凹陷等热疲劳损伤13,甚至造成不必要的财产损失和人员伤亡。目前,对气缸盖内壁进行检测的主流方法分为两类:对气缸盖进行拆解并通过目测、水压密封试验等方式4确定故障区域;使用相应的软件如有限元等软件5对内壁进行模拟,分析出易出现热疲劳损伤的区域。然而传统的仿真计算软件在进行热疲劳检测时,难以直接体现出热疲劳损伤区域的信息,同时建立气缸盖模型时缺乏确实可靠的边界条件,使得模拟结果与实际结果存在一定的误差。由于有限元软件模拟出的结果只是传统的热图像,并不能直接通过热图像准确判断高温部分是否由热疲劳损伤引起,还需结合其他条件因素推测判定,增加了热疲劳检测的时间和精力。基于关联成像的内燃机气缸盖内壁检
14、测方法6可以快速地将内壁通过影像的方式直观展示出来,节省了大量的物力和财力。该方法通过对内壁的热场图案和外壁的总热能进行关联运算,得到内壁的重构影像。鉴于探测空间的限制,无法对气缸盖内壁进行全范围探测并收集数据,所以测量少数特殊点,通过图像插值的方式来获得热场图案。然而采用传统经典的插值方式如最邻近插值法和双线性插值法79来构造热场图案时会出现以下问题:最邻近插值法依赖周围点的数据值,通过该方法重构出来的内壁影像会带有明显的块效应;双线性插值法虽然可以根据提供的数据构造出热场图案,但该方法无法将热场区域填充完整,存在边缘空缺区域,需结合最邻近插值方法来构造出完整的热场图案,而且该方法不符合缸盖
15、内壁的热场传递规律,通过该方法重构出来的影像重点监测区域的辨识度低。综合分析双线性插值法和最邻近插值法的不足,在对图 案 的 构 造 方 面,双 线 性 插 值 法 优 于 最 邻 近 插值法10。鉴于上述分析,本文中从内燃机气缸盖内壁热场传递规律和区域填充的完整度等角度出发,提出了一种基于扇环插值构造多尺度热场图案的关联成像方法。该方法通过对离散的圆弧点群进行插值构造出多尺度热场图案,并将其与外壁的总热能进行关联重构出内壁影像。该方法可突显出重点监测区域,使裂纹等热疲劳区域更容易识别,并提高了非重点监测区域的影像辨识度。1气缸盖不同区域分辨率的确定现有研究表明1114,缸盖火力面的热场分布规
16、律是以喷油口为中心,具有沿径向四周递减的变化特性,且受进气口与排气口位置、冷却水腔等因素的影响,缸盖内火力面的不同区域的温度变化是不同的,呈现环形的变化趋势。气缸盖火力面划分区域如图 1 所示,由于四气门气缸盖左右对称,本文中以缸盖右半部分为例进行分析。鼻梁区处于排气门和喷油口之间,温度变化比较剧烈,容易出现故障,需结合排气门和进气门的影响将其划分成四部分:排气门和进气门之间的位置划分为区域 4、区域 5、区域 6;排气门和排气门之间的位置划分为区域 1、区域 2;进气门与进气门之间的位置划分为区域 8;外围边缘的位置则划分成区域 3、区域 7、区域 9。本文中根据气缸盖内壁各区域出现热疲劳损
17、伤的机率来确定不同区域的像素尺寸。经相关研究表 692023年第 4期内燃机工程明15,区域 1 和区域 4 的温度变化最剧烈,最容易出现热疲劳损伤现象;区域 5、区域 8、区域 2 和区域 6次之;而区域 3、区域 7 和区域 8 出现热疲劳损伤现象的机率最低。其中区域 5 和区域 8 出现热疲劳损伤的机率高于区域 2 和区域 6。由此确定内壁区域的分辨率尺寸:区域 1 和区域 4 为 256 像素256像素;区域 5 和区域 8 为 128 像素128 像素;区域2 和区域 6 为 64 像素64 像素;区域 3、区域 7 和区域 9 则为 32 像素32 像素。由于区域形状和其对应区域像
18、素尺寸的影响,某区域的部分边缘位置不能被该区域的像素尺寸完全划分,这时就需将该分辨率进行层层扩大,直至能够将区域划分完整。2扇环热场图案的构造2.1圆弧点群的确定圆弧插补16是通过给出两端点间的位置信息,计算出逼近实际圆弧的点群,得到圆弧曲线。本文中采用这种方式将气缸盖内壁各区域离散成由多条散点圆弧组成的扇环区域,再通过对这些离散的圆弧点群进行插值,构造出扇环热场图案。设扇环的起点为(xs,ys),终点为(xe,ye),所求目标扇环的圆心为(xo,yo),圆弧散点的坐标公式见式(1)和式(2)。L=cos-sin sin cos xTyT(1)=arctanxT-xoyT-yo(2)式中,xT
19、、yT为迭代坐标,初始值为xs、ys;矩阵计算的结果L为下一插补点坐标,将之带入式(1)迭代计算即可得到圆弧点群;为起点向量与 x 轴夹角。2.2构造扇环热场图案受限于目前的工艺手段,难以使用热点偶或者其他探测手段对内燃机气缸盖火力面进行全方位的探测并确定各区域中各点的温度值。只能通过测量少数特殊点,采用插值的方法对缸盖内壁各区域构造热场图案。缸盖内壁火力面的温度变化趋势为温度以环状向外逐渐递减,本文中采用扇环插值的方式对缸内各区域构建热场图案。这里以图 2 所示的区域来具体说明热场图案的构造。首先对区域 4 进行热场构造,图 3 所示为火力面区域 4 示意图。因为划分该区域的分辨率像素尺寸为
20、 256 像素256 像素,所以就可以确定该区域的像素点尺寸,通过 2.1 节所提方式先将区域 4 离散成由一条条圆弧点群组合成的扇环区域。之后通过确定两条扇环边的温度变化函数,再对扇环区域进行插值处理,就可以构造出区域 4 的热场图案。先将区域 4 离散成由对应分辨率尺寸的圆弧点群组成的扇环区域,建立如图 4 所示坐标系,以圆心O 为原点,垂直于 AC 中点的直线为 x 轴,垂直 x 轴交于原点的直线为 y 轴,建立直角坐标系。此时可得到 AB 和 CD 这两条扇环边的起点和终点位置,AB 起点 A 为(8,8),终点 B 为(17,17),CD 起点 C为(8,-8),终点 D 为(17,
21、-17)。这里将点离散成分辨率尺寸为 256 像素256 像素点的大小。将 A和 C 两点的坐标代入式(1)和式(2)中不断迭代,就可得到由弧点群组成的AC。再以 AB 上的点为起点,并以对应 CD 上的点为终点,代入式(1)和式(2),就可得到由 10 条离散的圆弧点群组成的扇环区域。利用扇环插值的方式对扇环区域插值。先利用热电偶对区域 4 进行测量,测点的位置放置如图 5 所示,其中 R1、R2分别对应扇环两边数据的测量方向。在扇环边 AB 和 CD 上取等间隔的 6 个探测点,图 3火力面区域 4示意图图 1气缸盖火力面划分图 2火力面部分区域示意图 70内燃机工程2023年第 4期并且
22、测得在标定工况下的某一时刻的温度数值,其中AB 上 的 温 度 依 次 为 195.92 、206.87 、214.15、225.61、236.83 和 259.6,CD 上的温 度 依 次 为 184.15 、189.67 、186.33 、176.7、162.65 和 156.24。又因 AB 是由 10个离散的点组成,将 AB 上测到的数值等间隔放入这些 离 散 的 点 中,最 后 得 到 点 和 数 值 关 系,即(0,195.92)、(2,206.87)、(4,214.15)、(6,225.61)、(8,236.83)和(10,259.6)。再将得到的这些点拟合成一条连续的曲线,这条
23、曲线就是温度在这个方向上的变 化 曲 线,最 终 得 到 的 点 和 温 度 数 值 关 系 曲 线见式(3)。f(x)=a e-bx+c,x(0,1,10)(3)式中,a、b、c 为拟合参数,将 AB 上测得的点代入MATLAB 软件的拟合函数模块中,可得 a=24.31,b=-0.125 1,c=173.5;x为 AB 上离散点且取值范围为(0,1,10);f(x)为该点上的温度。同样方式可以求得 CD 上点和温度数值关系见式(4)。g(y)=a0+a1cos(xy)+b1sin(wy)(4)式中,a0、a1、b1、w为拟合参数。将 CD 上测得的点代入 MATLAB 软 件 中 拟 合
24、函 数 模 块 中,可 得a0=172.8,a1=11.21,b1=13.13,w=0.76;y 为 CD 上离散点且取值范围为(0,1,10);g(y)就为该点的温度数值。在确定这两个函数后就可对一条条离散的圆弧点群进行插值,具体见式(5)。T=N-mNf(n)+mNg(n)(5)式中,T为圆弧上目标点的温度;N为所求圆弧的点群数量;n为所求点所在圆弧的序号(以 0 起始);f(n)为该圆弧在 AB 上的点温度值;g(n)为该圆弧在 CD 上的点温度值;m为所求点和该点所在圆弧在 AB 上的点之间的间隔。以AC为例进行说明,如图 6 所示为AC点群插值示意图,A、K、C 分别为AC上的第 1
25、、2 和 16 位置上的散点。温度f(0)=195.92,g(0)=184.15,并且点的总数为 16 即N=16,则AC上各点温度如式(6)所示。T=16-m16195.92+m16184.15(6)式中,当m=0时,即温度值为 A 点温度,T=TA=195.92;当m=1时,即 温 度 值 为 K 点 温 度,T=TK=195.184;直到m=16时 T 为 C 点温度,T=TC=184.15,这样就将AC点群插值完成。以此方式将该区域的各条离散的弧点群插值,完成上述操作后就可得到该区域的热场图案。然后构造区域 5 热场图案,构造基本思想和上述内容类似。考虑区域 5 属于非规则扇环,区域
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 扇环插值 内壁 尺度 图案 构造 方法
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。