一种控制材料内部温度场的方法

1.本发明涉及一种材料内部温度场的控制方法，尤其是一种多条热束控制温度场的方法，具体地说是一种控制材料内部温度场的方法。


背景技术：

2.控制材料内部的热量分布以形成目标温度场是本领域长期追求的目标，在热编码通讯、热治疗、热驱动变形、热反应器、热显影、分区热管理等领域有着重大的应用需求。现有的热控制方法一方面难以避免向材料中引入大量的加热元件、管路或线缆，如专利us20150336295a1中对模具材料内引入电热丝和流道形成多个独立温控的区域，专利cn105474382a在基板中引入了多个阵列式像素电阻加热器，专利cn210111003u公开了一种功率分区的加热膜结构，其内部由加热丝蛇形排列而成，专利cn112047297a，这些方法在材料中引入了大量的线缆和元件，不利于材料性能，使其难以应用于飞机除冰、热驱动变形等对材料具有轻质高强要求的领域。另一方面，当现有方法需要实线n*n个热像素单元时，通常需要n*n个独立温度控制通道，这将使得温度控制的复杂度高，难以在少量控制通道下实现高分辨率的精确热控制。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于，针对现有热控制方法难以避免向材料中引入大量加热元件，并难以实现高分辨率的精确控制问题，提出了一种控制材料内部温度场的新方法。输入能量在材料内形成多条热束，对目标温度场进行热图案化计算并根据计算结果调控各条热束的功率，使其在材料内相互交错并组合叠加，形成目标温度场。本方法首次提出将层析成像原理利用到热控制领域，无需向材料中引入任何加热元件或者线缆，同样的控制通道数量下可实现更密集分布的热像素单元，实现三维空间内高分辨率的精确热控制。
4.本发明的技术方案为：
5.一种控制材料内部温度场的方法,其特征在于，输入能量在材料内形成多条热束，根据目标温度场计算并调控各条热束功率，使其在材料内相互交错并组合叠加，形成目标温度场。针对目标温度场，按照热图案化计算方法计算出各热束所需要的功率值，并根据计算结果调控各束的功率，使各束状热源在材料内相互交错并按照计算结果组合叠加，形成的密集热点组成的目标温度场。利用外部能量在材料内部形成相互交错的束状热源，无需向材料内部引入任何加热元件、管路和线缆，在同样的控制单元数量下相比传统方法具有更高的热控制分辨率。
6.所述的输入能量的来源可以是分布在材料边缘的外部热源，通过热传导进入材料，沿着特殊导热结构传导后，形成热束；也可以是其他形式的能量，如电能、电磁能、光能、化学能等，在特殊损耗结构下，如各向异性的导电材料中，能量集中于某一方向损耗后形成热束。
7.所述的多条热束在二维平面内沿着不少于2个方向分布且任意两条不同方向的热
束之间存在交点，沿相同方向热束数量不少于2条，在材料的厚度方向上可平行分布多于1层的所述二维平面，形成三维温度场，考虑到热束的数量增多对温度场控制的精度增加的相关关系，具体的参数选择依据目标温度场控制精度选取，所述方向数量优选18-32之间的数量，所述各方向热束的数量优选32-400之间的数量。
8.所述的热图案化计算方法首先通过热力学定律计算目标温度场下的功率分布图，通过拉东变换对功率分布图进行投影计算获得投影值，将投影值作傅里叶变换转换到频域后，利用滤波器进行滤波处理，再将滤波后的数据作傅里叶逆变换回到时域，对滤波处理后的投影值进行逆热扩散优化，最终输出各热束的最优功率值。
9.所述的调控方法首先将计算所获得的各条热束功率作为初始值，在温度场控制过程中，可通过温度传感或热成像设备采集实时温度场数据，用采集到的温度场数据实时调整所述计算所获得的各热束功率值。
10.所述的特定导热结构可以是热各向异性结构，所述的特定损耗结构可以是电、磁、电磁各向异性结构或非均质结构，如碳纤维复合材料层合板具有显著的热和电磁各向异性。
11.所述的逆热扩散计算方法是，首先对滤波后的功率投影值作拉东逆变换获得重构后的功率场，将其作为发热源在解析或数值三维传热模型中计算获得扩散后的温度场，并将其与目标温度场比对获得温度差异，将温度差异转化为功率值以修正原功率场并获得新的功率场，随后再次对功率场进行投影和滤波运算获得新的功率投影值，当比对获得的温度差异符合优化目标时，结束迭代优化输出最新的功率投影值。
12.所述的修正过程可以在温度图像域也可在功率投影域中进行，当修正过程在功率投影域中进行时，将温度差异转化为功率差异，并对该功率差异进行投影和滤波运算获得功率差异的投影值，并以该功率差异的投影值修正原来滤波后的功率投影值直接获得新的功率投影值，当比对获得的温度差异符合优化目标时，结束迭代优化输出最新的功率投影值。
13.本发明的有效效果是：
14.本发明控制材料内部温度场的明显优点在于：利用外部能量在材料内部形成相互交错的束状热源，无需向材料内部引入任何加热元件、管路和线缆，在同样的控制单元数量下相比传统方法具有更高的热控制分辨率。
15.本发明的控制材料内部温度场的方法，命名为computed thermal patterning(ctp),计算热图案法，首次将层析成像原理利用到热控制领域，无需向材料中引入任何加热元件或者线缆。然而，传统基于光束或射线的层析成像原理仅考虑光束在传播方向的衰减问题(专利cn108604047a)，但束状热源还存在横向热扩散效应。本发明的最大特点是输入能量在材料内形成多条热束，对目标温度场进行一种热图案化计算并根据计算结果调控各条热束的功率，使其在材料内相互交错并组合叠加，形成目标温度场。本发明将交错的束状热源所形成的热点作为热像素点，在同样的控制通道数量下可实现更密集分布的热像素，实现三维空间内高分辨率的精确热控制。
附图说明
16.图1是本发明控制材料内部温度场的基本原理示意图。
17.图2是热图案化计算方法的流程图。
具体实施方案
18.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的阐述。应当指出的是，下述实施例仅用于说明本发明的某些实施特例，并不用于限制本发明的保护范围。此外，在本发明公开后，本领域技术人员基于本发明中控制材料内部温度场的原理所做出任何修改和变化，都属于本技术所附权利要求书所限定的范围。
19.如图1-2所示。
20.本实施例是在电各向异形的碳纤维复合材料中通过计算热图案法形成二维“ctp”字母组合样式的目标温度场，如图1所示。配合红外热像仪监测此热图案的控制过程。所述材料在自电阻加热控制方式下实现18个方向、每个方向相邻间隔10
°
、每个方向32束共576个束状热源的独立控制，各个热束在给定的计算功率下加热并交叉叠加形成所需的目标温度场。每层碳纤维环氧材料尺寸为340mm
×
290mm
×
0.1mm，其窄边一侧放置有间隔2mm，宽度7mm，共32个薄铜片作为负极电极接入点，另一侧放置与材料等宽的长条形薄铜片作为正极接入点，每一个加热条束都通过两侧的铜电极被接入到独立可调电压的控制电路中。所述的计算功率是由计算热图案程序对“ctp”图案进行热图案化计算得到的每一条热束的功率，该功率是通过换算并烧录至微处理器，然后对每一束热源两侧电极间电压调节进而实现控制的。本实施例的具体步骤如下(见图2)：
21.步骤1：功率计算：在计算机中制作出“ctp”的灰度图像作为温度场控制的目标，首先通过热力学定律计算“ctp”字母目标温度场下的功率分布图，通过拉东变换对功率分布图进行投影计算获得投影值，将投影值作傅里叶变换转换到频域后，利用滤波器进行滤波处理，再将滤波后的数据作傅里叶逆变换回到时域，至此得到初始的功率投影值。随后对功率投影值进行逆热扩散优化，首先对滤波后的功率投影值作拉东逆变换获得重构后的功率场，将其作为发热源在解析或数值三维传热模型中计算获得扩散后的温度场，并将其与“ctp”字母目标温度场比对获得温度差异，将温度差异转化为功率值以修正原功率场并获得新的功率场，随后再次对功率场进行投影和滤波运算获得新的功率投影值，经过10次迭代比对获得的温度差异符合优化目标，结束迭代优化输出第10次迭代后新的功率投影值。根据此图像在计算热图案法的程序中计算在32
×
18个热束的情况下每一束对应的加热功率。所采用的加热材料是单向碳纤维环氧树脂基材料，根据其电阻特性计算出每一束所需要的控制电压。
22.步骤2：材料准备：取出碳纤维环氧预浸料，裁剪出18张大小为290mm
×
340mm的预浸料片，根据碳纤维尺寸大小，裁剪18张合适大小的玻璃纤维预浸料片，要求上下相邻两层碳纤维预浸料和两侧铜片在中心线成10
°
夹角叠加后不会直接接触。根据预浸料大小裁剪脱模布、隔离膜、透气毡、真空袋等辅助材料。按照间距2mm，宽7mm裁剪梳子状铜片，按照碳纤维窄边尺寸裁剪长条状铜片。
23.步骤3：材料铺放：取一张玻璃纤维预浸料放置操作台上，再取一张碳纤维预浸料中心放置在玻璃纤维预浸料之上，然后在预浸料两侧分别放置等间距铜片和长条状铜片，铜片与预浸料重叠15mm，并固定，未方便后续与电源相接，铜片应事先焊接导线并引出。再取一张玻璃纤维预浸料，以前一层玻璃纤维为基准，逆时针旋转10
°
方向并中心放置在其上
侧，用压辊工具压实并挤出气泡，重复上述后续步骤，至18层碳纤维材料全部铺放完成。
24.步骤4：复合材料固化：取出平板金属模具，用酒精清洁表面，并粘贴脱模布，然后将上述预浸料铺层放置模具上，按顺序依次铺放脱模布、隔离膜、透气毡，安装测温热电偶和真空底座，然后用真空袋封装。将其放置于烘箱中，利用pid控制固化按照标准工艺曲线进行。完成之后，脱模并去除碳纤维复合材料，清理引线。
25.步骤5：材料与电源连接：连接铜片上的引线至具有576个独立电压调节的控制器，每一个热束对应接入控制器的输出端，并将计算的电压控制信号输入到微处理器程序控制中，连接控制器与最大电流为400a、最大电压10v的电源。
26.步骤6：加热与红外成像：在碳纤维材料上方架设红外热像仪，成像范围应包括材料全部在内，校正热像仪，完成之后打开电源，在热像仪中即可观测到所需的目标温度场和形成的热图案，“ctp”热图案与目标温度图的相似度可达60％以上，其发热区域和非发热区域的对比度可达30％以上。根据热像仪可调节图案重建质量，输入其它经过计算的电压控制信号，可以在不同热图案之间变换。
27.上述的实例在碳纤维复合材料上通过计算图案法重建了“ctp”热图案，通过红外热像仪观测到了清晰的所需目标温度场分布。
28.本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。