CN113960108B - 一种碳纤维复合材料导热系数和比热容同时测量方法及测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纤维复合材料导热系数和比热容同时测量方法及系统，方法包括：步骤S1：建立碳纤维复合材料内部瞬态传热模型；步骤S2：在碳纤维复合材料表面选择M个取样点，获取M个取样点的温度；步骤S3：随机产生N个微粒个体，计算每个微粒个体对应的M个取样点的温度；步骤S4：建立适应度函数，评估每个微粒个体的适应度值；步骤S5：建立随机微粒群优化模块，迭代更新每个微粒个体位置；步骤S6：重新评估每个微粒个体的适应度值，修正碳纤维复合材料的热物性参数向量E；步骤S7：设定迭代停止条件。该系统用来实施上述方法，本发明具有原理简单、操作方便，能够提高实验测量的抗误差干扰能力等优点。
Description
技术领域
本发明主要涉及到材料物性测量技术领域，特指一种碳纤维复合材料导热系数和比热容同时测量方法及测量系统。
背景技术
碳纤维复合材料具有耐高温、抗腐蚀、高强度等优点，广泛应用于工业、国防、公共生活等众多领域。导热系数和比热容是碳纤维复合材料的基础物性参数，是评价碳纤维复合材料热力学性能的重要指标。碳纤维复合材料的导热系数和比热容共同影响其内部传热过程，两种物性参数的同时测量对于碳纤维复合材料的工程应用具有重要意义。
传统的碳纤维复合材料导热系数和比热容测量方法多采用直接测量的方式，即通过测量碳纤维复合材料在受热后的温度上升情况，直接计算得到材料的导热系数或比热容。
上述传统方法对温度测量误差比较敏感，需要严格控制实验条件，而且直接测量方法一般仅能得到碳纤维复合材料的一种物性参数(导热系数或比热容)，难以实现两种物性参数的同时测量。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、操作方便，能够提高实验测量的抗误差干扰能力、能够实现同步检测的碳纤维复合材料导热系数和比热容同时测量方法及测量系统。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种碳纤维复合材料导热系数和比热容同时测量方法，其步骤包括：
步骤S1：建立碳纤维复合材料内部瞬态传热模型；
步骤S2：在碳纤维复合材料表面选择M个取样点，获取上述M个取样点的温度
步骤S3：在搜索空间内随机产生N个微粒个体，基于碳纤维复合材料内部瞬态传热模型，计算每个微粒个体对应的M个取样点的温度
步骤S4：根据M个取样点温度信号的测量值和计算值，建立碳纤维复合材料导热系数和比热容同时测量的适应度函数，评估每个微粒个体的适应度值；
步骤S5：建立随机微粒群优化模块，以迭代更新每个微粒个体位置；
步骤S6：重新评估每个微粒个体的适应度值，修正碳纤维复合材料的热物性参数向量E；在完成当代所有微粒个体位置更新后，令热物性参数向量E等于新的全局最优位置Pg；
步骤S7：设定迭代停止条件，检验迭代停止条件是否已经达到，如果满足停止条件，则输出此时的导热系数和比热容，否则返回步骤S5继续迭代优化。
作为本发明方法的进一步改进：采用平行激光光束辐照碳纤维复合材料表面，建立激光辐照下碳纤维复合材料内部瞬态传热模型；
作为本发明方法的进一步改进：在激光辐照下碳纤维复合材料内部瞬态传热模型包括碳纤维复合材料的导热方程和相应的热边界条件。
作为本发明方法的进一步改进：所述导热方程为：
其中，ρ为碳纤维复合材料的密度，k为碳纤维复合材料的导热系数，c为碳纤维复合材料的比热容，T为碳纤维复合材料的温度，x、y、z为三个坐标方向。
作为本发明方法的进一步改进：所述热边界条件位：
其中，Ta为环境温度，t为时间，Lx、Ly和Lz分别为碳纤维复合材料在x轴方向、y轴方向和z轴方向的长度，h为碳纤维复合材料与环境之间的自然对流换热系数，qin为碳纤维复合材料表面的激光入射热流密度。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S2中，所述M个取样点是在碳纤维复合材料受热表面上沿y轴方向和z轴方向均匀选取的。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S3中，所述N个微粒个体，每个微粒个体的位置X都代表一组碳纤维复合材料的导热系数和比热容，那么第i个微粒个体的位置表示为Xi＝[k,c]T。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S4中，所述碳纤维复合材料导热系数和比热容同时测量的适应度函数的具体表达为：
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S5中，所述随机微粒群优化模块利用N个微粒个体组成的微粒群进行群体寻优，通过寻找最优的微粒个体位置，使适应度函数最小化，以确定碳纤维复合材料的导热系数和比热容；
作为本发明方法的进一步改进：在寻优过程中，微粒个体的位置按照下式更新：
Xi(n+1)＝Xi(n)+c1·r1·[Pi(n)-Xi(n)]+c2·r2·[Pg(n)-Xi(n)]
其中，n为当前迭代次数，c1和c2为加速系数，r1和r2为区间[0,1]内均匀分布的随机数，Pi为第i个搜索到的历史最优位置，Pg为整个微粒群体搜索到的历史最优位置；
作为本发明方法的进一步改进：在每次迭代过程中，全局最优个体停止更新，并在搜索区间内随机产生一个微粒个体j，修正后的个体最优位置和全局最优位置更新方式如下：
Pj＝Xj(n+1)
P'g＝argmin{F(Pi)|i＝1,……N}
Pg＝argmin{F(P'g),F(Pg)}。
作为本发明方法的进一步改进：在更新后执行以下判断：
(a)如果Pg＝Pj，则随机产生的微粒j即为全局最优位置，此微粒停止更新，下一代再重新在搜索空间内随机产生一个微粒个体，其他微粒继续更新；
(b)如果Pg≠Pj，且Pg没有被更新，则所有微粒个体都更新；
(c)如果Pg≠Pj，且Pg被更新，则存在个体l(l≠j)满足Xl(n+1)＝Pl＝Pg，此时微粒l停止更新，其他微粒更新。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S6中，重新评估每个微粒个体的适应度值是在完成上述更新后，根据每个微粒个体的Xi(n+1)，重新计算其所对应的温度值并代入适应度函数重新计算每个微粒个体的适应度值F。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S6中，修正碳纤维复合材料的热物性参数向量E是在完成当代所有微粒个体位置更新后，令热物性参数向量E等于新的全局最优位置Pg，即E＝Pg＝[k,c]T。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S7中，所述的迭代停止条件为F(Pg)＜ε，其中ε为指定的收敛精度。
本发明进一步提供一种用来实施上述测量方法的测量系统，其包括：
安放组件，用来安放碳纤维复合材料，使碳纤维复合材料位于待检测位置；
红外热像仪，用来产生红外热像，朝向碳纤维复合材料布置；
激光器组件，用来产生平行激光光束，以辐照碳纤维复合材料的表面。
作为本发明系统的进一步改进：所述安放组件包括夹具和垂直升降平台，所述夹具用来夹持碳纤维复合材料，所述夹具安装于垂直升降平台上。
作为本发明系统的进一步改进：所述红外热像仪设置于一升降机构上。
作为本发明系统的进一步改进：所述激光器组件包括激光器、激光器冷却器及光纤准直器，所述激光器冷却器用来对激光器进行冷却作业，所述激光器经过传输光纤与光纤准直器相连，所述光纤准直器用来将所述激光器产生的平行激光光束辐照到碳纤维复合材料的表面。
作为本发明系统的进一步改进：所述光纤准直器通过连杆机构与一固定支架组件相连，通过连杆机构和固定支架组件来调整光纤准直器的辐照方向。
与现有技术相比，本发明的优点就在于：
1.本发明的碳纤维复合材料导热系数和比热容同时测量方法及测量系统，原理简单、操作方便，能够提高实验测量的抗误差干扰能力，实现导热系数和比热容的同时准确测量。
2.本发明的碳纤维复合材料导热系数和比热容同时测量方法及测量系统，利用碳纤维复合材料受热表面的瞬态温度信息，采用数值反演的方式实现材料热物性参数的间接测量，对于材料的实际工况、温度区间等没有限制，具有较强的工程实用价值。
3.本发明的碳纤维复合材料导热系数和比热容同时测量方法及测量系统，可以同时测量得到碳纤维复合材料的多个热物性参数，对于碳纤维复合材料在高温工况、复杂热环境的应用具有重要意义。
附图说明
图1是碳纤维复合材料示意图。
图2是碳纤维复合材料导热系数和比热容同时测量实验系统原理图。
图3是本发明同时测量方法的流程示意图。
图4是碳纤维复合材料受热表面瞬态温度分布云图。
图5是真实热物性参数和本发明测量结果对应的取样点温度变化曲线。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明的一种碳纤维复合材料导热系数和比热容同时测量方法，是利用平行激光光束加热碳纤维复合材料，利用红外热像仪获取材料表面的瞬态温度分布，根据本发明所建立的随机微粒群优化模块，通过反演方式获得碳纤维复合材料的导热系数和比热容。本发明通过随机微粒群优化模块，就可以利用材料表面的瞬态温度响应同时反演碳纤维复合材料的导热系数和比热容，并明显降低随机测量误差对测量结果的影响。
如图1所示，为在具体应用实例中碳纤维复合材料的结构和参数；该碳纤维复合材料包括平行光束加热表面W1和自然对流表面W2，Lx、Ly和Lz分别为碳纤维复合材料在x轴方向、y轴方向和z轴方向的长度。
如图3所示，本发明的测量方法流程包括：
步骤S1：建立碳纤维复合材料内部瞬态传热模型；
采用平行激光光束辐照碳纤维复合材料表面，建立激光辐照下碳纤维复合材料内部瞬态传热模型；
步骤S2：在碳纤维复合材料表面选择M个取样点，利用红外热像方式(如红外热像仪)获取上述M个取样点的温度
步骤S3：在搜索空间内随机产生N个微粒个体，基于碳纤维复合材料内部瞬态传热模型，通过数值计算每个微粒个体对应的M个取样点的温度
步骤S4：根据M个取样点温度信号的测量值和计算值，建立碳纤维复合材料导热系数和比热容同时测量的适应度函数，评估每个微粒个体的适应度值；
步骤S5：建立随机微粒群优化模块，以迭代更新每个微粒个体位置；
基于随机微粒群优化(SPSO)方案，建立碳纤维复合材料导热系数和比热容同时测量的优化模块，迭代更新每个微粒个体位置；
步骤S6：重新评估每个微粒个体的适应度值，修正碳纤维复合材料的热物性参数向量E；在完成当代所有微粒个体位置更新后，令热物性参数向量E等于新的全局最优位置Pg，即E＝Pg＝[k,c]T。
步骤S7：设定迭代停止条件，检验迭代停止条件是否已经达到，如果满足停止条件，则输出此时的导热系数和比热容，否则返回步骤S5继续迭代优化。
在具体应用实例中，上述步骤S1中，在激光辐照下碳纤维复合材料内部瞬态传热模型包括碳纤维复合材料的导热方程和相应的热边界条件；其中：
导热方程：
热边界条件：
其中，ρ为碳纤维复合材料的密度，k为碳纤维复合材料的导热系数，c为碳纤维复合材料的比热容，T为碳纤维复合材料的温度，x、y、z为三个坐标方向。Ta为环境温度，t为时间，Lx、Ly和Lz分别为碳纤维复合材料在x轴方向、y轴方向和z轴方向的长度，h为碳纤维复合材料与环境之间的自然对流换热系数，qin为碳纤维复合材料表面的激光入射热流密度。
作为较佳的实施例，上述步骤S2中，所述M个取样点，是在碳纤维复合材料受热表面上沿y轴方向和z轴方向均匀选取的。
在具体应用实例中，上述步骤S3中，所述N个微粒个体，每个微粒个体的位置X都代表一组碳纤维复合材料的导热系数和比热容，第i个微粒个体的位置可表示为Xi＝[k,c]T。
在具体应用实例中，上述步骤S4中，所述碳纤维复合材料导热系数和比热容同时测量的适应度函数的具体表达为：
其中，F为适应度函数，为数值模拟得到的M个取样点的温度，/>为利用红外热像仪测得的M个取样点的温度。
在具体应用实例中，上述步骤S5中，所述的随机微粒群优化(SPSO)方案，是利用N个微粒个体组成的微粒群进行群体寻优，通过寻找最优的微粒个体位置，使上述适应度函数最小化，进而确定碳纤维复合材料的导热系数和比热容；寻优过程中，微粒个体的位置按照下式更新：
Xi(n+1)＝Xi(n)+c1·r1·[Pi(n)-Xi(n)]+c2·r2·[Pg(n)-Xi(n)] (9)
其中，n为当前迭代次数，c1和c2为加速系数，r1和r2为区间[0,1]内均匀分布的随机数，Pi为第i个搜索到的历史最优位置，Pg为整个微粒群体搜索到的历史最优位置；为了防止整个群体陷入局部最优位置，无法检索到全局最优位置，在每次迭代过程中，全局最优个体停止更新，并在搜索区间内随机产生一个微粒个体j，修正后的个体最优位置和全局最优位置更新方式如下：
Pj＝Xj(n+1)
P'g＝argmin{F(Pi)|i＝1,……N}
Pg＝argmin{F(P'g),F(Pg)} (10)
上式更新后执行以下判断：
(1)如果Pg＝Pj，则随机产生的微粒j即为全局最优位置，此微粒停止更新，下一代再重新在搜索空间内随机产生一个微粒个体，其他微粒继续按照式(9)更新；
(2)如果Pg≠Pj，且Pg没有被更新，则所有微粒个体都按照式(9)更新；
(3)如果Pg≠Pj，且Pg被更新，则存在个体l(l≠j)满足Xl(n+1)＝Pl＝Pg，此时微粒l停止更新，其他微粒按照式(9)更新。
在具体应用实例中，上述步骤S6中，所述的重新评估每个微粒个体的适应度值，是在完成上述更新后，根据每个微粒个体的Xi(n+1)，重新计算其所对应的温度值并代入适应度函数重新计算每个微粒个体的适应度值F。
在具体应用实例中，上述步骤S6中，所述的修正碳纤维复合材料的热物性参数向量E，是在完成当代所有微粒个体位置更新后，令热物性参数向量E等于新的全局最优位置Pg，即E＝Pg＝[k,c]T。
在具体应用实例中，上述步骤S7中，所述的迭代停止条件为F(Pg)＜ε，其中ε为指定的收敛精度，即为预设的阈值。
如图2所示，本发明进一步提供一种用来实施上述测量方法的测量系统，其包括：
安放组件1，用来安放碳纤维复合材料，使碳纤维复合材料位于待检测位置；
红外热像仪2，用来产生红外热像，朝向碳纤维复合材料布置；
激光器组件3，用来产生平行激光光束，以辐照碳纤维复合材料的表面。
在具体应用实例中，所述安放组件1包括夹具101和垂直升降平台102，所述夹具101用来夹持碳纤维复合材料103，所述夹具101安装于垂直升降平台102上。
在具体应用实例中，所述红外热像仪2设置于一升降机构201上。
在具体应用实例中，所述激光器组件3包括激光器301、激光器冷却器302及光纤准直器303，所述激光器冷却器302用来对激光器301进行冷却作业，所述激光器301经过传输光纤304与光纤准直器303相连，所述光纤准直器303用来将所述激光器301产生的平行激光光束辐照到碳纤维复合材料的表面。
在具体应用实例中，所述光纤准直器303通过连杆机构304与一固定支架组件305相连，通过连杆机构304和固定支架组件305来调整光纤准直器303的辐照方向。
本发明在一个具体应用实例中，通过采用本发明的上述测量方法：
碳纤维复合材料的密度设置为ρ＝1800kg/m3，尺寸参数为Lx＝0.02m，Ly＝0.2m，Lz＝0.2m，入射激光功率密度qin＝50000W/m2，自然对流换热系数为h＝7W/(m2·℃)，环境温度为Ta＝25℃；碳纤维复合材料的初始温度为T0＝25℃，导热系数真值为k＝3.9W/(m·℃)，比热容真值为c＝710J/(kg·℃)。
利用本发明所述方法测量得到的碳纤维复合材料热物性参数向量为E＝[3.8999,710.0012]T，即测量得到碳纤维复合材料的导热系数为3.8999W/(m·℃)，比热容为710.0012J/(kg·℃)，真实热物性参数和本发明测量结果对应的取样点温度变化曲线如图5所示。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (15)
1.一种碳纤维复合材料导热系数和比热容同时测量方法，其特征在于，步骤包括：
步骤S1：建立碳纤维复合材料内部瞬态传热模型；
步骤S2：在碳纤维复合材料表面选择个取样点，获取上述/>个取样点的温度/>，其中m=1,2,···,M；
步骤S3：在搜索空间内随机产生个微粒个体，基于碳纤维复合材料内部瞬态传热模型，计算每个微粒个体对应的/>个取样点的温度/>，其中m=1,2,···,M；
步骤S4：根据个取样点温度信号的测量值和计算值，建立碳纤维复合材料导热系数和比热容同时测量的适应度函数，评估每个微粒个体的适应度值；所述碳纤维复合材料导热系数和比热容同时测量的适应度函数的具体表达为：
其中，为适应度函数，/>为数值模拟得到的/>个取样点的温度，/>为利用红外热像仪测得的/>个取样点的温度；
步骤S5：建立随机微粒群优化模块，以迭代更新每个微粒个体位置；所述随机微粒群优化模块利用个微粒个体组成的微粒群进行群体寻优，通过寻找最优的微粒个体位置，使适应度函数最小化，以确定碳纤维复合材料的导热系数和比热容；在寻优过程中，微粒个体的位置按照下式更新：
其中，为微粒个体i在第n+1代的位置；n为当前迭代次数，c 1和c 2为加速系数，r 1和r 2为区间[0, 1]内均匀分布的随机数，Pi为第i个搜索到的历史最优位置，Pg为新的全局最优位置；所述/>个微粒个体，每个微粒个体的位置X都代表一组碳纤维复合材料的导热系数k和比热容c，那么第i个微粒个体的位置表示为Xi = [k, c]T，其中T 为碳纤维复合材料的温度；
步骤S6：重新评估每个微粒个体的适应度值，修正碳纤维复合材料的热物性参数向量E；在完成当代所有微粒个体位置更新后，令热物性参数向量E等于新的全局最优位置Pg；重新评估每个微粒个体的适应度值是在完成上述更新后，根据每个微粒个体的，重新计算其所对应的温度值/>，其中m=1,2,···,M，并代入适应度函数重新计算每个微粒个体的适应度值F；
步骤S7：设定迭代停止条件，检验迭代停止条件是否已经达到，如果满足停止条件，则输出此时的导热系数和比热容，否则返回步骤S5继续迭代优化。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料导热系数和比热容同时测量方法，其特征在于，采用平行激光光束辐照碳纤维复合材料表面，建立激光辐照下碳纤维复合材料内部瞬态传热模型。
3.根据权利要求2所述的碳纤维复合材料导热系数和比热容同时测量方法，其特征在于，在激光辐照下碳纤维复合材料内部瞬态传热模型包括碳纤维复合材料的导热方程和相应的热边界条件。
4.根据权利要求3所述的碳纤维复合材料导热系数和比热容同时测量方法，其特征在于，所述导热方程为：
其中，为碳纤维复合材料的密度，/>为碳纤维复合材料的导热系数，/>为碳纤维复合材料的比热容，/>为碳纤维复合材料的温度，/>、/>、/>为三个坐标方向。
5.根据权利要求3所述的碳纤维复合材料导热系数和比热容同时测量方法，其特征在于，所述热边界条件为：
其中，为环境温度，/>为时间，/>、/>和/>分别为碳纤维复合材料在/>轴方向、/>轴方向和/>轴方向的长度，/>为碳纤维复合材料与环境之间的自然对流换热系数，/>为碳纤维复合材料表面的激光入射热流密度。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的碳纤维复合材料导热系数和比热容同时测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述个取样点是在碳纤维复合材料受热表面上沿/>轴方向和/>轴方向均匀选取的。
7.根据权利要求5所述的碳纤维复合材料导热系数和比热容同时测量方法，其特征在于，在每次迭代过程中，全局最优个体停止更新，并在搜索区间内随机产生一个微粒个体j，修正后的个体最优位置和全局最优位置更新方式如下：
其中，为微粒个体j至今搜索到的历史最优位置，/>为微粒个体j在第n+1代的位置，/>为全局最优位置的中间替换量，/>为位置P处的微粒个体适应度值。
8.根据权利要求7所述的碳纤维复合材料导热系数和比热容同时测量方法，其特征在于，在更新后执行以下判断：
(a) 如果 = />，则随机产生的微粒个体/>即为全局最优位置，此微粒个体停止更新，下一代再重新在搜索空间内随机产生一个微粒个体，其他微粒个体继续更新；
(b) 如果，且Pg没有被更新，则所有微粒个体都更新；
(c) 如果，且Pg被更新，则存在微粒个体/>，其中/>，满足，此时微粒个体/>停止更新，其他微粒个体更新。
9. 根据权利要求1所述的碳纤维复合材料导热系数和比热容同时测量方法，其特征在于，所述步骤S6中，修正碳纤维复合材料的热物性参数向量E是在完成当代所有微粒个体位置更新后，令热物性参数向量E等于新的全局最优位置Pg，即E = Pg = [k, c]T。
10.根据权利要求9所述的碳纤维复合材料导热系数和比热容同时测量方法，其特征在于，所述步骤S7中，所述的迭代停止条件为，其中/>为指定的收敛精度。
11.一种用来实施上述权利要求1-10中任意一项测量方法的测量系统，其特征在于，包括：
安放组件，用来安放碳纤维复合材料，使碳纤维复合材料位于待检测位置；
红外热像仪，用来产生红外热像，朝向碳纤维复合材料布置；
激光器组件，用来产生平行激光光束，以辐照碳纤维复合材料的表面。
12.根据权利要求11所述的测量系统，其特征在于，所述安放组件包括夹具和垂直升降平台，所述夹具用来夹持碳纤维复合材料，所述夹具安装于垂直升降平台上。
13.根据权利要求11所述的测量系统，其特征在于，所述红外热像仪设置于一升降机构上。
14.根据权利要求11所述的测量系统，其特征在于，所述激光器组件包括激光器、激光器冷却器及光纤准直器，所述激光器冷却器用来对激光器进行冷却作业，所述激光器经过传输光纤与光纤准直器相连，所述光纤准直器用来将所述激光器产生的平行激光光束辐照到碳纤维复合材料的表面。
15.根据权利要求14所述的测量系统，其特征在于，所述光纤准直器通过连杆机构与一固定支架组件相连，通过连杆机构和固定支架组件来调整光纤准直器的辐照方向。
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