熱試檢測(cè)技術(shù)在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試中的創(chuàng)新應(yīng)用

摘要：闡述了熱試檢測(cè)技術(shù)在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試方面的創(chuàng)新應(yīng)用。所引入的高精度光纖光柵傳感器可實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，全方位三維熱成像分析技術(shù)可突破熱分布測(cè)量的局限性，以及基于物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（PINN）的動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力預(yù)測(cè)方法能夠解決熱應(yīng)力評(píng)估的滯后問(wèn)題。上述創(chuàng)新技術(shù)的集成應(yīng)用大幅提升了發(fā)動(dòng)機(jī)熱性能評(píng)估的準(zhǔn)確性和全面性，為發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化、性能提升和可靠性保障提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：熱試檢測(cè)技術(shù)；汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)；物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（PINN）；光纖光柵（FBG）傳感器

0 前言

近年來(lái)，隨著汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和可靠性備受關(guān)注。發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車(chē)的核心部件，其工作環(huán)境復(fù)雜，長(zhǎng)期處于高溫、高壓、高速運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)，極易出現(xiàn)熱疲勞失效問(wèn)題，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)乃至整車(chē)的使用壽命和安全性［1］。傳統(tǒng)的熱電偶測(cè)溫方法精度不足，紅外熱成像測(cè)試范圍有限，有限元熱分析響應(yīng)滯后，已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)熱工況測(cè)試的需求。因此，亟需開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的熱試檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)熱工況的高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、全方位熱成像分析和動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力預(yù)測(cè)，為發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化、性能提升和品質(zhì)保障提供有力支撐。

1 熱試檢測(cè)技術(shù)概述

熱試檢測(cè)技術(shù)是一種用于評(píng)估材料、結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)在實(shí)際工作環(huán)境中熱性能的先進(jìn)測(cè)試方法。其基本原理是通過(guò)對(duì)被測(cè)對(duì)象施加與實(shí)際工況相似的熱載荷，并利用高精度的傳感器實(shí)時(shí)采集熱響應(yīng)數(shù)據(jù)，如溫度、應(yīng)變、位移等，再結(jié)合數(shù)值仿真分析，綜合評(píng)估被測(cè)對(duì)象的熱工況特性［2］。與傳統(tǒng)的熱試驗(yàn)方法相比，新型熱試檢測(cè)技術(shù)具有測(cè)試精度高、響應(yīng)速度快、數(shù)據(jù)采集與處理一體化等優(yōu)點(diǎn)。其中，基于光纖光柵（FBG）的傳感技術(shù)可實(shí)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象表面乃至內(nèi)部溫度場(chǎng)的高空間分辨率連續(xù)測(cè)量；基于紅外熱成像技術(shù)的二維和三維熱成像方法可對(duì)被測(cè)對(duì)象的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)熱分布進(jìn)行直觀、快速、全方位的分析；基于多物理場(chǎng)耦合的數(shù)值仿真技術(shù)可實(shí)現(xiàn)熱-結(jié)構(gòu)互作用效應(yīng)的準(zhǔn)確建模和快速求解，大幅提升熱應(yīng)力、熱變形等參數(shù)的預(yù)測(cè)水平。通過(guò)集成運(yùn)用上述先進(jìn)熱試檢測(cè)技術(shù)，可全面獲取被測(cè)對(duì)象在實(shí)際熱工況下的性能參數(shù)，并深入分析其熱響應(yīng)規(guī)律和失效機(jī)理，從而為材料和結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計(jì)優(yōu)化、壽命預(yù)估、健康監(jiān)測(cè)等提供支撐。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試的現(xiàn)狀問(wèn)題分析

2. 1 溫度監(jiān)測(cè)精度不足

在現(xiàn)代汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱工況測(cè)試中，溫度監(jiān)測(cè)的精度是評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)性能和可靠性的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的溫度測(cè)量方法主要依賴(lài)于熱電偶和熱電阻等點(diǎn)式傳感器。然而，這些傳感器存在固有的局限性：首先，傳感器只能提供離散的點(diǎn)位溫度數(shù)據(jù)，無(wú)法全面反映發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部復(fù)雜的溫度分布情況；其次，受限于傳感器的工作原理和制造工藝，其測(cè)量精度往往難以滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)熱工況測(cè)試的高標(biāo)準(zhǔn)要求，特別是在高溫、高壓、高速等極端條件下，傳感器的性能往往會(huì)出現(xiàn)較大的漂移和失真；此外，傳感器的安裝位置和固定方式也會(huì)對(duì)測(cè)溫精度產(chǎn)生不利影響，如接觸不良、散熱不均等因素均會(huì)引入額外的測(cè)量誤差。這些問(wèn)題導(dǎo)致利用傳統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)難以準(zhǔn)確獲取發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的溫度場(chǎng)信息，無(wú)法為發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化和性能提升提供可靠的數(shù)據(jù)支撐［3］。尤其是在發(fā)動(dòng)機(jī)的熱疲勞分析、熱應(yīng)力評(píng)估等方面，溫度測(cè)量的精度直接關(guān)系到結(jié)果的可信度和有效性。

2. 2 熱分布測(cè)量的局限性

在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱工況測(cè)試中，準(zhǔn)確獲取發(fā)動(dòng)機(jī)各部件的溫度分布信息對(duì)于評(píng)估其熱性能和可靠性至關(guān)重要。傳統(tǒng)的熱分布測(cè)量方法主要采用紅外熱成像技術(shù)，通過(guò)探測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)表面的紅外輻射來(lái)獲取其溫度分布圖。然而，這種方法存在諸多局限性：首先，紅外熱成像只能獲取發(fā)動(dòng)機(jī)外表面的溫度信息，無(wú)法直接測(cè)量?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)的溫度分布，而發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的溫度分布對(duì)其性能和壽命的影響更為關(guān)鍵；其次，發(fā)動(dòng)機(jī)表面往往存在復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)和材料屬性，如曲面、遮擋、反射等，這些因素會(huì)對(duì)紅外熱成像的精度產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)畸變和失真；再者，發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中處于劇烈的振動(dòng)和高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這對(duì)紅外熱成像的成像質(zhì)量和穩(wěn)定性提出了極高的挑戰(zhàn)，導(dǎo)致容易出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)模糊和失焦等問(wèn)題。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)熱工況下的油液流動(dòng)、熱對(duì)流等復(fù)雜因素也會(huì)對(duì)紅外成像測(cè)溫的準(zhǔn)確性產(chǎn)生干擾［4］。這些局限性導(dǎo)致傳統(tǒng)的紅外熱成像技術(shù)難以全面、精確地測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的熱分布特性，無(wú)法為發(fā)動(dòng)機(jī)的熱設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)支撐。

2. 3 熱應(yīng)力評(píng)估滯后

在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱工況測(cè)試中，熱應(yīng)力評(píng)估是判斷發(fā)動(dòng)機(jī)熱疲勞壽命和可靠性的重要依據(jù)。傳統(tǒng)的熱應(yīng)力評(píng)估方法主要依賴(lài)于有限元數(shù)值仿真技術(shù)，通過(guò)建立發(fā)動(dòng)機(jī)的熱應(yīng)力-結(jié)構(gòu)耦合模型，模擬其在實(shí)際工況下的熱應(yīng)力分布和變化規(guī)律。然而，這種方法存在明顯的滯后性：首先，有限元模型的建立需要大量的時(shí)間和人力成本，且模型的精度和適用性嚴(yán)重依賴(lài)于邊界條件和材料參數(shù)的設(shè)置，而這些信息往往難以被準(zhǔn)確獲取或及時(shí)更新，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在較大偏差；其次，在實(shí)際工作中發(fā)動(dòng)機(jī)工況復(fù)雜多變，如冷啟動(dòng)、大扭矩、高低轉(zhuǎn)速切換等，而傳統(tǒng)的有限元熱分析難以實(shí)時(shí)反映這些工況的動(dòng)態(tài)特性，往往需要耗費(fèi)大量的計(jì)算資源和時(shí)間才能完成，這使得熱應(yīng)力評(píng)估結(jié)果滯后于發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，無(wú)法及時(shí)指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制和調(diào)整；再者，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱應(yīng)力狀態(tài)還受到諸多隨機(jī)因素的影響，如制造誤差、裝配偏差、材料性能波動(dòng)等，而傳統(tǒng)的數(shù)值仿真難以準(zhǔn)確考慮這些不確定性因素，導(dǎo)致熱應(yīng)力預(yù)測(cè)的可靠性和魯棒性不足［5］。例如，某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際道路測(cè)試中出現(xiàn)了嚴(yán)重的熱疲勞問(wèn)題，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，其有限元模型預(yù)測(cè)的熱應(yīng)力水平普遍低于實(shí)測(cè)值20% 以上。

3 熱試檢測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用

3. 1 高精度實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)

為了突破傳統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)的局限性，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)的高精度實(shí)時(shí)測(cè)量，可引入基于光纖光柵（FBG）的分布式溫度傳感器。FBG 傳感器是利用光纖中的光柵結(jié)構(gòu)對(duì)溫度變化極其敏感的特性，通過(guò)光譜分析技術(shù)可以達(dá)到高測(cè)溫精度（±0.1 K），較傳統(tǒng)熱電偶的測(cè)溫精度提升了近10 倍。同時(shí)，F(xiàn)BG 傳感器采用波分復(fù)用技術(shù)，在1 根光纖上可以集成數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)傳感單元，實(shí)現(xiàn)傳感器的陣列化和網(wǎng)絡(luò)化布設(shè)，空間分辨率可達(dá)厘米量級(jí)，這使得FBG 傳感器能夠大面積、高密度地覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)表面乃至內(nèi)部結(jié)構(gòu)，形成實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、連續(xù)的溫度監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。在某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱應(yīng)力檢測(cè)中，研究人員在缸蓋、缸套、活塞等關(guān)鍵部位布設(shè)了120 個(gè)FBG 傳感單元，并針對(duì)不同材料和工況優(yōu)化了傳感器的封裝工藝，實(shí)現(xiàn)了高溫（700 ℃）、高壓（20 MPa）、高速（12 000 r/min）工況下溫度的連續(xù)監(jiān)測(cè)，1 000 h 內(nèi)的溫度漂移小于0.5 K，響應(yīng)時(shí)間低于15 ms。利用所獲取的高精度溫度大數(shù)據(jù)，可以精細(xì)表征出發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部溫度場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律，并結(jié)合相關(guān)熱設(shè)計(jì)參數(shù)，建立起發(fā)動(dòng)機(jī)熱工況下的數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度與性能、壽命的精準(zhǔn)關(guān)聯(lián)，為發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化和工況控制提供可靠依據(jù)。此外，F(xiàn)BG 溫度傳感器還具有抗電磁干擾、耐腐蝕、輕質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，大大提升了其在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下的測(cè)試適用性和可靠性。該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用有望徹底解決發(fā)動(dòng)機(jī)熱試驗(yàn)溫度測(cè)試的“準(zhǔn)確度”和“全面性”問(wèn)題，推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)熱設(shè)計(jì)和管理水平的革命性躍升。

3. 2 全方位熱成像分析

為了突破傳統(tǒng)紅外熱成像技術(shù)的局限性，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)熱分布特性的全方位精確測(cè)量，可引入基于高分辨率紅外焦平面陣列（IRFPA）的三維熱成像分析方法。該方法采用高靈敏度、大陣列的IRFPA 探測(cè)器，結(jié)合精確的溫度和輻射率標(biāo)定，可實(shí)現(xiàn)±0.5 K 的溫度測(cè)量精度和0.05 mm 的空間分辨率，較傳統(tǒng)紅外熱像儀提升了5 倍以上。同時(shí)，通過(guò)多視角、多光譜成像融合技術(shù)，可獲取發(fā)動(dòng)機(jī)零部件表面的三維幾何形貌與溫度分布信息，并進(jìn)行精準(zhǔn)的空間配準(zhǔn)和數(shù)據(jù)同步，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜曲面、遮擋區(qū)域的無(wú)死角熱成像。在某發(fā)動(dòng)機(jī)熱試驗(yàn)過(guò)程中，研究人員利用高速旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和機(jī)器人手臂，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了360°環(huán)繞掃描，并結(jié)合多傳感器數(shù)據(jù)融合算法，重構(gòu)出發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的三維熱分布云圖，溫度分辨率優(yōu)于0.1 K，空間配準(zhǔn)誤差小于0.1 mm?；谒@取的高分辨率三維熱圖像，可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件的熱分布特征進(jìn)行定量化分析，如提取溫度梯度、識(shí)別熱點(diǎn)區(qū)域、計(jì)算平均溫度等，并結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）模型進(jìn)行可視化展示和交互式仿真，直觀揭示熱流的傳遞路徑和聚集規(guī)律，為發(fā)動(dòng)機(jī)的熱優(yōu)化設(shè)計(jì)提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐和決策依據(jù)。該項(xiàng)技術(shù)還可與紅外光譜分析技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程的原位表征和診斷，如火焰溫度、燃燒產(chǎn)物濃度等，為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒優(yōu)化和排放控制提供重要參考。

3. 3 動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力預(yù)測(cè)

為了解決傳統(tǒng)有限元熱分析的滯后性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)熱應(yīng)力特性的動(dòng)態(tài)快速預(yù)測(cè)，在熱試檢測(cè)技術(shù)中引入了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（PINN）方法。PINN 方法融合了經(jīng)典物理模型和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，通過(guò)大數(shù)據(jù)訓(xùn)練構(gòu)建起發(fā)動(dòng)機(jī)熱應(yīng)力的數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)熱應(yīng)力的實(shí)時(shí)計(jì)算和預(yù)測(cè)。在建模過(guò)程中，首先基于發(fā)動(dòng)機(jī)CAE 分析和熱試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提取熱-結(jié)構(gòu)耦合方程中的關(guān)鍵物理參數(shù)，如材料熱物性、幾何邊界條件等；然后利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近方程的解析解，通過(guò)最小化物理約束損失和數(shù)據(jù)擬合損失，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱應(yīng)力響應(yīng)的快速求解和長(zhǎng)時(shí)預(yù)測(cè)。在某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的熱應(yīng)力預(yù)測(cè)案例中，研究人員僅使用120 組有限元模擬數(shù)據(jù)和1 000 組熱試驗(yàn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了1 個(gè)5 層、256 個(gè)神經(jīng)元的PINN 模型，經(jīng)過(guò)2 h 訓(xùn)練后，在1 000 個(gè)隨機(jī)工況下模型預(yù)測(cè)的熱應(yīng)力平均相對(duì)誤差低于5%，計(jì)算時(shí)間小于0.1 s，較傳統(tǒng)有限元方法更節(jié)省時(shí)間。更重要的是，該模型具有很好的預(yù)測(cè)功能，可預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)在全工況域的熱應(yīng)力特性，并實(shí)時(shí)反饋溫度、振動(dòng)等因素的影響，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)熱行為分析成為可能。同時(shí)，PINN 模型還可嵌入發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元，實(shí)現(xiàn)熱應(yīng)力的在線監(jiān)測(cè)和主動(dòng)控制，有效規(guī)避熱疲勞失效風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文系統(tǒng)闡述了熱試檢測(cè)技術(shù)在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試方面的創(chuàng)新應(yīng)用。通過(guò)引入高精度FBG 傳感器、全方位三維熱成像分析和基于PINN 的動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力預(yù)測(cè)等熱試檢測(cè)技術(shù)，有效解決了傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)熱工況測(cè)試中存在的精度不足、局限性和滯后性等問(wèn)題。未來(lái)，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，熱試檢測(cè)技術(shù)將在發(fā)動(dòng)機(jī)智能制造、健康監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)性維護(hù)等領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

參 考 文 獻(xiàn)

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