一种梯度热载荷地面复现的工程约束分区与物理约束功率反演方法及系统

本发明属于高速飞行器结构热试验和非均匀热载荷地面模拟，尤其涉及一种梯度热载荷地面复现的工程约束分区与物理约束功率反演方法及系统。

背景技术：

1、高速飞行器在大气层内高速飞行过程中，翼舵、前缘、热防护面板和局部承载结构会受到显著非均匀气动加热作用。该类热环境通常表现为沿特征路径或关键区域连续变化的梯度温度分布，空间温度梯度会改变结构局部热应力水平、材料刚度分布和连接边界状态，因此地面热试验需要按照给定热环境复现具有空间梯度特征的目标温度分布。

2、辐射加热具有非接触加载、升温速率高、热流调节范围大和试验布置灵活等特点，被广泛用于高温热结构试验、热防护结构考核和气动热环境模拟。对于具有明显空间梯度的热载荷，目标热环境通常来源于气动热计算、飞行热环境预测或热结构耦合分析，表现为沿特征路径或关键区域分布的连续目标温度曲线。

3、然而，实际辐射加热系统通常由有限数量的红外灯管、加热模块和独立功率通道组成，只能提供离散分区形式的热输入。现有地面加热试验中常采用等长分区、经验分区或基于试验人员经验的功率调节方式确定加热区域和加载参数，该类方法难以充分反映目标温度曲线中的局部梯度变化，也难以同时满足加热模块长度、模块间距和边界安装容差等工程约束。

4、在分区确定后，各加热分区功率与试件温度响应之间也不存在简单线性对应关系。试件温度场受到辐射换热、板内热传导、相邻分区热耦合和边界散热等因素共同影响。若直接根据目标温度大小经验分配功率，难以保证评价路径上的温度幅值、梯度形状和局部单调性同步满足要求。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种梯度热载荷地面复现的工程约束分区与物理约束功率反演方法及系统,能够将连续目标梯度温度分布转化为满足模块安装条件的离散加热分区，并通过物理约束功率反演提高目标温度幅值和梯度形状的复现精度，以解决背景技术中提到的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：

3、一种梯度热载荷地面复现的工程约束分区与物理约束功率反演方法，包括以下步骤：

4、接收目标热载荷对应的目标温度分布，并确定试件表面的评价路径或评价区域；

5、根据目标温度分布的局部温度幅值、局部温度梯度和相邻目标温差建立候选分区的目标温度拟合代价；

6、获取加热装置的工程安装约束，所述工程安装约束包括加热模块长度、模块间距、分区边界安装容差、分区数量、功率通道数量和各分区可布置加热模块数量中的一种或多种；

7、在所述目标温度拟合代价和工程安装约束下搜索加热分区边界，得到工程可安装的加热分区方案；

8、建立所述加热分区方案下分区功率向量与试件温度响应之间的热响应模型；

9、以各加热分区功率为优化变量，根据所述热响应模型计算候选功率输入下的温度响应，并以包含温度幅值误差、相邻温差误差和温度趋势惩罚项的物理约束目标函数评价候选功率输入；

10、采用贝叶斯优化或序贯代理优化在功率可行域内迭代选择候选功率输入，得到分区功率方案；

11、按照所述加热分区方案和分区功率方案进行地面加热加载，并采集热电偶测点温度或红外温度场，对目标温度复现误差进行评价。

12、进一步的，候选分区的目标温度拟合代价由候选分区内目标温度点与该候选分区等效目标温度之间的加权偏差确定，且权重随目标温度幅值、局部梯度绝对值或相邻温差增大而增大。

13、进一步的，所述候选分区拟合代价表示为：

14、

15、式中，cfit(u,v)表示候选区间[u,v]的拟合代价；u和v分别表示候选区间的起始评价点序号和终止评价点序号；i表示评价点序号；wi表示第i个评价点的权重；titar表示第i个评价点的目标温度；t̄u,v表示候选区间[u,v]的等效目标温度。

16、进一步的，对任一候选分区，根据该候选分区内可布置的加热模块数量、单个加热模块长度和相邻加热模块间距计算模块组占用长度，并判断所述模块组占用长度与候选分区长度之间是否满足边界安装容差；若不满足，则将该候选分区判定为不可行候选分区并从边界搜索中排除。

17、进一步的，所述加热分区边界采用动态规划搜索得到；动态规划状态表示从评价路径起点至当前候选边界并划分为指定数量分区时的最小累计代价，状态转移代价为前一候选边界至当前候选边界之间的候选分区综合代价，且仅对满足工程安装约束的候选分区执行状态转移。

18、进一步的，所述物理约束目标函数表示为：

19、

20、式中，j(p)表示分区功率向量p对应的物理约束目标函数值；p表示由各加热分区功率组成的分区功率向量；et(p)表示加权温度误差项；eδ(p)表示相邻温差误差项；emono(p)表示温度趋势惩罚项；α和β分别表示相邻温差误差项和温度趋势惩罚项的权重系数。

21、进一步的，所述加权温度误差项用于评价温度响应与目标温度在各评价点处的幅值偏差；所述相邻温差误差项用于评价温度响应的相邻点温差与目标温度分布的相邻点温差之间的偏差；所述温度趋势惩罚项用于惩罚温度响应中与目标温度总体变化方向不一致的局部回弹、反向变化或非预期单调性破坏。

22、进一步的，各加热分区包含的加热模块数量、辐射覆盖面积或模块组几何布置不同，所述物理约束目标函数不以相邻分区总功率差的平滑性作为必要约束，而以温度响应误差、相邻温差误差和温度趋势惩罚作为功率反演评价依据。

23、本发明还公开了一种梯度热载荷地面复现的工程约束分区与物理约束功率反演系统，用于实现梯度热载荷地面复现的工程约束分区与物理约束功率反演方法，包括：

24、目标温度输入模块，用于获取目标温度分布和评价路径；

25、工程约束分区模块，用于根据目标温度局部特征和加热装置安装约束生成加热分区方案；

26、热响应计算模块，用于计算分区功率输入下的试件温度响应；

27、物理约束功率反演模块，用于根据包含温度幅值误差、相邻温差误差和温度趋势惩罚项的目标函数优化分区功率；

28、加载执行模块，用于按照所述加热分区方案和分区功率方案控制加热装置；

29、温度验证模块，用于采集热电偶温度或红外温度场并输出复现误差评价结果。

30、本发明还公开了一种终端设备，包括存储器、处理器及存储在存储器中并能够在处理器上运行的计算机程序，处理器加载并执行计算机程序时，采用了梯度热载荷地面复现的工程约束分区与物理约束功率反演方法。

31、本发明的一种梯度热载荷地面复现的工程约束分区与物理约束功率反演方法及系统，具有以下优点：

32、1、本发明将连续目标温度分布转化为满足模块长度、模块间距和边界容差的工程可安装分区，避免理论分区无法落地安装的问题。

33、2、本发明在分区拟合代价中引入目标温度幅值和局部梯度权重，使高温区和高梯度区获得更高分区表达优先级，减少目标温度特征被等长分区平均化的问题。

34、3、本发明将热响应模型与贝叶斯优化结合，适用于功率与温度响应之间存在非线性耦合且单次仿真成本较高的辐射加热参数反演问题。

35、4、本发明的目标函数同时约束温度幅值、相邻温差和温度趋势，能够提高梯度温度分布的形状一致性，而非仅追求平均温度误差降低