CN107420174B - 具有开裂实时监测的壁流式颗粒捕集器及监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有开裂实时监测的壁流式颗粒捕集器及监测方法，壁流式颗粒捕集器包括载体和若干分布式光纤振动传感器；所述载体包含若干相邻排列的尾气流入腔室和尾气流出腔室；所述分布式光纤振动传感器贴在载体侧壁。本发明还公开了一种壁流式颗粒捕集器的开裂实时监测方法，通过对载体划分有限元网格并搜索得到距开裂位置最近的有限元节点。本发明克服现有装置难以实时监测并定位壁流式颗粒捕集器上开裂位置的问题。

Description

具有开裂实时监测的壁流式颗粒捕集器及监测方法
技术领域
本发明属于汽车工程领域，尤其涉及一种具有开裂实时监测的壁流式颗粒捕集器及监测方法。
背景技术
柴油机尾气中的颗粒例如PM2.5会严重影响人们健康，而柴油机颗粒捕集器可以有效降低颗粒物的排放，其中壁流式陶瓷颗粒捕集器因具有较高的颗粒过滤效率而应用广泛。在壁流式陶瓷颗粒捕集器的侧壁上存在微小贯通孔隙，侧壁上的微孔隙会将流经尾气中的颗粒过滤下来。而随着颗粒在侧壁微孔隙中的不断沉积会堵塞尾气并直接影响发动机工作，因此需要将沉积的颗粒燃烧掉，这一过程称为颗粒捕集器的再生。在燃烧再生过程中，因陶瓷的热传导系数较低容易产生温度梯度，如果颗粒捕集器的温度梯度过大容易产生裂纹，进而造成颗粒捕集器失效。
因此需要一种实时监测并定位开裂区域的壁流式颗粒捕集器。
发明内容
本发明为了克服现有装置难以实时监测并定位壁流式颗粒捕集器上的开裂位置，本发明提供了一种具有开裂实时监测的壁流式颗粒捕集器及监测方法。
本发明的技术方案：一种具有开裂实时监测的壁流式颗粒捕集器，包括载体和若干分布式光纤振动传感器；所述载体包含若干相邻排列的尾气流入腔室和尾气流出腔室，尾气流入腔室在尾气流入端开口并在尾气流出端封闭，尾气流出腔室在尾气流入端封闭并在尾气流出端开口，尾气首先进入尾气流入腔室，然后流经腔室侧壁并进入尾气流出腔室；所述分布式光纤振动传感器贴在载体侧壁。
优选地，所述分布式光纤振动传感器和载体之间的夹层为：用硅硼玻璃作为粘结剂复合陶瓷纤维制成的隔热和耐高温层，此夹层具有耐高温和隔热的优点且热传导率远小于陶瓷。
优选地，所述分布式光纤振动传感器为相位调制型传感器，具有检测精度高的优点，特别适合高性能振动传感监测。
优选的，所述载体的材料为堇青石陶瓷。
一种具有开裂实时监测的壁流式颗粒捕集器的开裂监测方法，包括如下步骤：
步骤1：将壁流式颗粒捕集器载体划分为有限元网格，共有n个节点，设有限元总体质量矩阵为[M]，有限元总体刚度矩阵为[K]，有限元节点上的加速度列向量为{a}，有限元节点上的位移列向量为{u}，有限元节点上的载荷列向量为{f}，建立动力有限元方程如下：
[M]{a}+[K]{u}＝{f} (1)
步骤2：获得位于振动传感器上的有限元节点接收振动信号的实测时间差：将分布式光纤振动传感器上测得的振动加速度赋值到与其接触的有限元节点上，设共有m个有限元节点接收实测振动信号，这时可以获得振动信号传递至这m个有限元节点的时刻，这样即可获得m个有限元节点中每两个节点之间接收振动信号的实测时间差序列{Δt1,Δt2,Δt3,…,Δtl}，这里
Figure BDA0001359772690000021
步骤3：获得位于振动传感器上的有限元节点接收模拟振动信号的时间差：基于步骤1中的有限元动力方程，对第i个有限元节点施加冲击载荷，模拟得到位于振动传感器上的m个有限元节点中每两个节点接收振动信号的时间差序列
Figure BDA0001359772690000031
这里
Figure BDA0001359772690000032
上标i表示在第i个有限元节点施加冲击载荷；i取遍1至总节点数n，共得到n个模拟的时间差序列：
Figure BDA0001359772690000033
Figure BDA0001359772690000034
…
Figure BDA0001359772690000035
…
Figure BDA0001359772690000036
步骤4：获得距开裂振源最近的有限元节点：记误差函数为
Figure BDA0001359772690000037
这里
Figure BDA0001359772690000038
上标i表示在第i个有限元节点施加冲击载荷；i取遍1至总节点数n，共得到包含n个误差函数值的序列{F1,F2,…,Fn}，选取{F1,F2,…,Fn}中最小误差函数值对应的节点，此节点即为离开裂振源最近的有限元节点。
优选的，步骤1中动力有限元方程用纽马克积分求解，纽马克积分作为隐式求解方法具有数值计算稳定的优点。
优选的，步骤1中划分有限元网格时分布式光纤传感器与单元的交界线重合。
优选的，步骤3中的冲击载荷为多个正弦波载荷叠加而成。
优选的，步骤1中划分有限元网格使用的单元为四面体单元，可以适应颗粒捕集器的复杂结构。
方法中的符号说明汇总如下：
n：有限元网格总节点数；
[M]：有限元总体质量矩阵；
[K]：有限元总体刚度矩阵；
{a}：有限元节点上的加速度列向量；
{u}：有限元节点上的位移列向量；
{f}：有限元节点上的载荷列向量。
m：与分布式光纤振动传感器接触的有限元总节点数；
{Δt1,Δt2,Δt3,…,Δtl}：m个有限元节点中每两个节点之间接收振动信号的实测时间差序列；
l：m个有限元节点中任意取两个节点组合的总组合数，有
Figure BDA0001359772690000041
Figure BDA0001359772690000042
对第i个节点施加模拟冲击载荷时，模拟得到位于振动传感器上的m个有限元节点中每两个节点接收振动信号的时间差序列；
Fi：上标i表示在第i个有限元节点施加冲击载荷时获得误差函数，有
Figure BDA0001359772690000043
这里
Figure BDA0001359772690000044
本发明的有益效果是克服现有装置难以实时监测并定位壁流式颗粒捕集器上的高温开裂位置的问题。
附图说明
图1为本发明的壁流式颗粒捕集器中载体和分布式光纤振动传感器的三维示意图；
图2为本发明尾气在尾气流入腔室和尾气流出腔室中的流动示意图。
图3为本发明的载体划分有限元网格后的三维示意图。
图中1.载体，2.封闭端，3.开口端，4.分布式光纤振动传感器，5.流入尾气，6.透过侧壁的尾气，7.流出尾气，8.与分布式光纤振动传感器重合的有限元节点。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
如图1-图2中一种具有开裂实时监测的壁流式颗粒捕集器，包括载体1和若干分布式光纤振动传感器4；所述载体1包含若干相邻排列的尾气流入腔室和尾气流出腔室，尾气流入腔室在尾气流入端为开口端3并在尾气流出端为封闭端2，尾气流出腔室在尾气流入端为封闭端2并在尾气流出端为开口端3，流入尾气7首先进入尾气流入腔室，然后透过侧壁的尾气6进入尾气流出腔室；所述分布式光纤振动传感器4贴在载体1侧壁。
本发明一种具有开裂实时监测的壁流式颗粒捕集器的开裂监测方法，包括如下步骤：
步骤1：如图3所示将壁流式颗粒捕集器载体1划分为有限元网格，共有n个节点，设有限元总体质量矩阵为[M]，有限元总体刚度矩阵为[K]，有限元节点上的加速度列向量为{a}，有限元节点上的位移列向量为{u}，有限元节点上的载荷列向量为{f}，建立动力有限元方程如下：
[M]{a}+[K]{u}＝{f} (1)
步骤2：获得位于振动传感器4上的有限元节点8接收振动信号的实测时间差：如图3所示将分布式光纤振动传感器4上测得的振动加速度赋值到与其接触的有限元节点8上，设共有m个有限元节点8接收实测振动信号，这时可以获得振动信号传递至这m个有限元节点8的时刻，这样即可获得m个有限元节点8中每两个节点之间接收振动信号的实测时间差序列{Δt1,Δt2,Δt3,…,Δtl}，这里
Figure BDA0001359772690000061
步骤3：获得位于振动传感器4上的有限元节点接收模拟振动信号的时间差：基于步骤1中的有限元动力方程，对第i个有限元节点施加冲击载荷，模拟得到位于振动传感器4上的m个有限元节点8中每两个节点接收振动信号的时间差序列
Figure BDA0001359772690000062
这里
Figure BDA0001359772690000063
上标i表示在第i个有限元节点施加冲击载荷；i取遍1至总节点数n，共得到n个模拟的时间差序列：
Figure BDA0001359772690000064
Figure BDA0001359772690000065
…
Figure BDA0001359772690000071
…
Figure BDA0001359772690000072
步骤4：获得距开裂振源最近的有限元节点：记误差函数为
Figure BDA0001359772690000073
这里
Figure BDA0001359772690000074
上标i表示在第i个有限元节点施加冲击载荷；i取遍1至总节点数n，共得到包含n个误差函数值的序列{F1,F2,…,Fn}，选取{F1,F2,…,Fn}中最小误差函数值对应的节点，此节点即为离开裂振源最近的有限元节点。
本发明方法中的符号说明汇总如下：
n：有限元网格总节点数；
[M]：有限元总体质量矩阵；
[K]：有限元总体刚度矩阵；
{a}：有限元节点上的加速度列向量；
{u}：有限元节点上的位移列向量；
{f}：有限元节点上的载荷列向量。
m：与分布式光纤振动传感器接触的有限元总节点数；
{Δt1,Δt2,Δt3,…,Δtl}：m个有限元节点中每两个节点之间接收振动信号的实测时间差序列；
l：m个有限元节点中任意取两个节点组合的总组合数，有
Figure BDA0001359772690000075
Figure BDA0001359772690000076
对第i个节点施加模拟冲击载荷时，模拟得到位于振动传感器上的m个有限元节点中每两个节点接收振动信号的时间差序列；
Fi：上标i表示在第i个有限元节点施加冲击载荷时获得误差函数，有
Figure BDA0001359772690000081
这里
Figure BDA0001359772690000082

Claims (8)

1.一种具有开裂实时监测的壁流式颗粒捕集器的开裂监测方法，包括壁流式颗粒捕集器，其设置有载体和若干分布式光纤振动传感器；所述载体包含若干相邻排列的尾气流入腔室和尾气流出腔室，尾气流入腔室在尾气流入端开口并在尾气流出端封闭，尾气流出腔室在尾气流入端封闭并在尾气流出端开口，尾气首先进入尾气流入腔室，然后流经腔室侧壁并进入尾气流出腔室；所述分布式光纤振动传感器贴在载体侧壁；其特征在于：开裂监测方法按如下步骤：
步骤1：将壁流式颗粒捕集器载体划分为有限元网格，共有n个节点，设有限元总体质量矩阵为[M]，有限元总体刚度矩阵为[K]，有限元节点上的加速度列向量为{a}，有限元节点上的位移列向量为{u}，有限元节点上的载荷列向量为{f}，建立动力有限元方程如下：
[M]{a}+[K]{u}＝{f} (1)
步骤2：获得位于振动传感器上的有限元节点接收振动信号的实测时间差：将分布式光纤振动传感器上测得的振动加速度赋值到与其接触的有限元节点上，设共有m个有限元节点接收实测振动信号，这时可以获得振动信号传递至这m个有限元节点的时刻，这样即可获得m个有限元节点中每两个节点之间接收振动信号的实测时间差序列{Δt1,Δt2,Δt3,Λ,ΔtL}，这里
Figure FDA0002200173610000011
步骤3：获得位于振动传感器上的有限元节点接收模拟振动信号的时间差：基于步骤1中的有限元动力方程，对第i个有限元节点施加冲击载荷，模拟得到位于振动传感器上的m个有限元节点中每两个节点接收振动信号的时间差序列
Figure FDA0002200173610000012
这里
Figure FDA0002200173610000021
上标i表示在第i个有限元节点施加冲击载荷；i取遍1至总节点数n，共得到n个模拟的时间差序列：
Figure FDA0002200173610000022
Figure FDA0002200173610000023
…
Figure FDA0002200173610000024
…
Figure FDA0002200173610000025
步骤4：获得距开裂振源最近的有限元节点：记误差函数为
Figure FDA0002200173610000026
这里
Figure FDA0002200173610000027
上标i表示在第i个有限元节点施加冲击载荷；i取遍1至总节点数n，共得到包含n个误差函数值的序列{F1,F2,Λ,Fn}，选取{F1,F2,Λ,Fn}中最小误差函数值对应的节点，此节点即为离开裂振源最近的有限元节点。
2.根据权利要求1所述的一种具有开裂实时监测的壁流式颗粒捕集器的开裂监测方法，其特征在于：所述分布式光纤振动传感器和载体之间的夹层为：用硅硼玻璃作为粘结剂复合陶瓷纤维制成。
3.根据权利要求1所述的一种具有开裂实时监测的壁流式颗粒捕集器的开裂监测方法，其特征在于：所述分布式光纤振动传感器为相位调制型传感器。
4.根据权利要求1所述的一种具有开裂实时监测的壁流式颗粒捕集器的开裂监测方法，其特征在于：所述载体的材料为堇青石陶瓷。
5.根据权利要求1所述的一种具有开裂实时监测的壁流式颗粒捕集器的开裂监测方法，其特征在于：步骤1中动力有限元方程用纽马克积分求解。
6.根据权利要求1所述的一种具有开裂实时监测的壁流式颗粒捕集器的开裂监测方法，其特征在于：步骤1中划分有限元网格时分布式光纤传感器与单元的交界线重合。
7.根据权利要求1所述的一种具有开裂实时监测的壁流式颗粒捕集器的开裂监测方法，其特征在于：步骤1中划分有限元网格使用的单元为四面体单元。
8.根据权利要求1所述的一种具有开裂实时监测的壁流式颗粒捕集器的开裂监测方法，其特征在于：步骤3中的冲击载荷为多个正弦波载荷叠加而成。
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