基于激光热源的构件热疲劳模拟试验台研制

摘要

在内燃机整机及零部件可靠性研究日趋重要的今天，热疲劳模拟试验成为进行构件热疲劳强度分析的重要手段之一。本课题设计并研制了验证某低速双燃料发动机活塞、缸盖等受热构件热疲劳强度的热疲劳模拟试验台，采用模块化的开发方法，选用了性能优秀的硬件设备，编写了功能全面的软件，布置了更为完备的参数采集系统和试验台监测系统，达成了提出的功能目标，具体完成内容如下： (1)试验台总体方案的设计，根据项目的功能目标和技术指标，对试验台总体方案进行了设计，根据功能等因素划分了系统模块，对各系统模块进行了定义。 (2)根据总体方案设计，完成了硬件设计方案，通过化简计算、缩放、有限元仿真计算的方法对控制采集系统、机械系统、安全保证系统、裂纹识别系统、加热系统、冷却系统中各个主要硬件进行选型计算，硬件通讯接口分析，总结了通讯需求分析表，为软件编程做好信号统筹规划方面的准备工作。 (3)完成了软件方案设计，将分层模式作为控制软件架构，把软件划分为互相耦合的模块并分别实现各自的功能并进行功能调试验证。最后，将各功能模块的子功能、子动作经过拆分组合，实现了整个软件的业务逻辑。 (4)首次将机器学习方法引入热疲劳模拟试验台的裂纹识别，采用了BOW-HOG的特征提取方法初步实现了裂纹识别功能，针对此方法存在尺寸保持性、方向保持性缺陷的现象，提出了两点改进，改进后的裂纹识别算法有更高的准确性和适应性，同时在限定集上取得了算法参数的局部最优。对于改进后的算法带来的计算资源占用问题，又根据试验台实际工作流程，增加了动态图像差分过程，显著提高了改进后的裂纹识别算法的计算速度，增强了算法的实用性。 (5)对试验台进行了集成调试，从安全性、易用性的角度对试验台控制柜的集成提出了建议，解决了激光器湿度报警问题，标定并分析了热电偶测量精度，最终完成了试验台温度控制模式试验和时间控制模式试验，得到了测点温度曲线和试件表面温度场云图，验证了试验台各项功能的完整性。

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