[發(fā)明專利]一種陶瓷-金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)光熱波場(chǎng)建模方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110459603.8
• 申請(qǐng)日: 2021-04-27
• 公開（公告）號(hào): CN113343547B
• 公開（公告）日: 2022-03-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張輝;羅志濤;倪中華;毛飛龍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/25
• 分類號(hào): G06F30/25;G06F113/26;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 北京德崇智捷知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11467
• 代理人: 王雪

本發(fā)明公開了一種陶瓷?金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)光熱波場(chǎng)建模方法，屬于多物理場(chǎng)無損檢測(cè)領(lǐng)域。在該建模方法中，基于格林函數(shù)法，推導(dǎo)了由半透明表面涂層和兩層不透明固體(粘結(jié)層和基體)組成的三層陶瓷?金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)的光熱波場(chǎng)模型。在該模型中，考慮了表面涂層的空間變化體積熱源和可用狄拉克函數(shù)描述的內(nèi)部界面熱源。利用所推導(dǎo)的光熱波場(chǎng)模型研究了三層陶瓷?金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)的表面熱波場(chǎng)與半透明表面涂層厚度及其光熱物理特性的關(guān)系。本發(fā)明對(duì)基于光熱輻射、紅外光熱成像等光熱技術(shù)的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)具有重要意義。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于多物理場(chǎng)無損檢測(cè)領(lǐng)域，涉及由半透明表面涂層和不透明粘結(jié)層和不透明基體層組成的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)光熱場(chǎng)分布研究，尤其涉及一種陶瓷-金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)光熱波場(chǎng)建模方法。

背景技術(shù)

近年來光熱無損檢測(cè)技術(shù)，例如光熱輻射、光熱成像由于具有高對(duì)比度、無接觸、非破壞性等突出優(yōu)點(diǎn)正廣泛應(yīng)用于工業(yè)復(fù)合材料、生物組織的無損檢測(cè)。然而，由于研究對(duì)象往往比較復(fù)雜以及缺乏對(duì)其內(nèi)部光熱轉(zhuǎn)化及擴(kuò)散傳播的本質(zhì)認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致其檢測(cè)精度和效率受到了極大限制；并進(jìn)一步制約了先進(jìn)研究手段的探索和應(yīng)用。因此，開展對(duì)于多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)光熱波場(chǎng)的研究就顯得非常的必要和迫切，這樣有利于更為先進(jìn)的檢測(cè)方法的開發(fā)以推動(dòng)復(fù)合材料無損檢測(cè)的進(jìn)一步發(fā)展。

目前，雖然已有學(xué)者開展了關(guān)于多層半透明類生物組織和多層不透明類復(fù)合結(jié)構(gòu)的光熱場(chǎng)分布研究，但還存在無法準(zhǔn)確描述介質(zhì)近表面光場(chǎng)分布的問題。此外，筆者目前還未見到關(guān)于更為典型，但往往較為關(guān)鍵的多層陶瓷-金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)的光熱場(chǎng)分布研究，該類結(jié)構(gòu)通常由半透明表面涂層和不透明基體組成，其被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的高溫防護(hù)，以及裝甲車的防彈防護(hù)等。這是由于涉及半透明表面涂層的空間變化體積熱源、半透明表面涂層和不透明粘結(jié)層間的內(nèi)部界面熱源的描述往往比較復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有方法或技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種陶瓷-金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)光熱波場(chǎng)建模方法，在該建模方法中，基于格林函數(shù)法推導(dǎo)了由半透明表面涂層、粘結(jié)層和基體層組成的三層陶瓷-金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)的光熱波場(chǎng)模型，并研究了三層陶瓷-金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)的表面熱波場(chǎng)與半透明表面涂層厚度及其光熱物理特性的關(guān)系。本發(fā)明可直接應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層結(jié)構(gòu)，稍作簡(jiǎn)化，可進(jìn)一步應(yīng)用于工業(yè)復(fù)合材料光熱場(chǎng)分布以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的生物組織光熱波場(chǎng)分布研究，且具有很高的精度。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種陶瓷-金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)光熱波場(chǎng)建模方法，包括如下步驟：

步驟1，根據(jù)半透明表面涂層的光學(xué)特性，利用蒙特卡洛模擬法并結(jié)合Levenberg-Marquardt和全局通用優(yōu)化算法，獲得半透明表面涂層內(nèi)部擴(kuò)散光子密度波場(chǎng)分布；

步驟2，基于步驟1的所獲得的表面涂層內(nèi)部擴(kuò)散光子密度波場(chǎng)，建立三層陶瓷-金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)的空間熱源分布，包括半透明表面涂層空間變化體積熱源和內(nèi)部界面熱源；

步驟3，基于格林函數(shù)法以及三層陶瓷-金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)的外部與內(nèi)部界面的邊界條件，推導(dǎo)出三層陶瓷-金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)的空間脈沖響應(yīng)；

步驟4，基于步驟2的三層結(jié)構(gòu)的空間熱源分布以及步驟3的三層陶瓷-金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)的空間脈沖響應(yīng)，并利用熱波擴(kuò)散方程，獲得三層陶瓷-金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)的光熱波場(chǎng)；

步驟5，基于步驟4的三層陶瓷-金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)的光熱波場(chǎng)，最終獲得三層陶瓷-金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)探測(cè)表面的熱波場(chǎng)分布。

優(yōu)選的，所述步驟2中，空間變化體積熱源及內(nèi)部界面熱源為：

其中，ω為調(diào)制頻率，δ為狄拉克函數(shù)，μa1為半透明表面涂層光學(xué)吸收系數(shù)，η_NR1為半透明表面涂層光熱轉(zhuǎn)化系數(shù)，I_z(z)為隨深度z的擴(kuò)散光子密度波場(chǎng)分布；