1、信息技术翁智逸，等基于 PSOBP 算法的隧道窑仿真模型修正方法研究基金项目:江苏省军工产品科研生产大数据智能分析及应用军民融合公共服务平台项目(1171061540)第一作者简介:翁智逸(1994)，男，江苏泰州人，硕士研究生，研究方向为工业大数据。DOI:1019344/j cnki issn16715276202301025基于 PSOBP 算法的隧道窑仿真模型修正方法研究翁智逸1，何非1，呼子博2(1 南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094;2 中国兵器工业信息中心，北京 100089)摘要:电热隧道窑广泛应用于压电陶瓷的烧成工艺中，窑内的温度是影响压电陶瓷质量的重要因素
2、。针对电热隧道窑内温度不易被观测，造成其烧成工艺参数优化过程困难的问题，通过数值模拟的方式进行温度场仿真，计算窑炉内部的温度分布;由于在建模分析过程中为消除不确定因素引入了多种假设使计算结果与真实值之间存在较大误差。为了减小误差，基于 PSOBP 神经网络算法对初始仿真模型进行修正并进行实验验证。将修正前的模型与实测温度的误差进行对比，结果表明:误差由修正前的 873%降至修正后的 1%以下;修正后的模型可适用于实际生产中的温度检测。关键词:电热隧道窑;模型修正;不确定性;神经网络算法中图分类号:TG1551文献标志码:A文章编号:1671-5276(2023)01-0105-05Study
3、on Correction Method of Tunnel Kiln Simulation Model Based on PSOBP AlgorithmWENG Zhiyi1，HE Fei1，HU Zibo2(1 School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China;2 China Arms Industry Information Center，Beijing 100089，China)Abstract:Electrothermal tunnel
4、kilns are widely used in the sintering process of piezoelectric ceramics，and the temperature insidethe kiln is an important factor affecting the quality of piezoelectric ceramics To overcome the difficulty in optimization process ofsintering parameters due to the difficulty in observing the inner ki
5、ln temperature，this paper calculates the temperature distributioninside the kiln by means of numerical simulation based on the actual working conditions Owing to the introduction of variousassumptions in the modeling and analysis process for eliminating uncertainties，there exists a large error betwe
6、en the calculatedresults and the real values To reduce the error，the initial simulation model is modified based on the PSOBP neural network，andexperimental verification is conducted The comparison is made on the calculation results of the corrected simulation model and theinitial simulation model，wh
7、ich concludes that the error of the actual measured temperature is reduced from 873%before correction toless than 1%after correction，and the corrected model is applicable to actual temperature detection in productionKeywords:tunnel kiln;model correction;uncertainly;neural network algorithm0引言压电陶瓷生产过
8、程的质量控制点主要集中在成型、烧成与极化 3 个工艺上，其中烧成工艺是最为关键的工艺。隧道窑的窑内温度对压电陶瓷能否满足工艺要求起到至关重要的作用。所以，获得准确的窑内温度分布，并对其进行控制，是提升压电陶瓷产品质量的重要前提。目前国内外学者多采用数值模拟结合实验验证的方式对窑炉内温度场进行研究。陆燕宁1 利用 Fluent 软件模拟炉膛气相燃烧过程，实现了对炉内温度、流场分布和组分的计算。康建喜等2 为研究余热利用，对窑内温度场的数值模拟进行分析对比，验证不同烧嘴布设方案的科学合理性。LIU Y J 等3 通过 FVM 法研究了窑炉内部温度均匀性、加热效率受炉内流场和温度场分布的影响。由于实
9、际环境中存在不确定因素以及在模拟过程中引入了多种假设，模拟结果与真实值之间存在较大的误差，因此需要对模型进行修正。模型的误差主要分为模型阶次误差、模型结构误差和模型参数误差，其中模型参数误差是模型修正的主要考虑因素。针对模型参数误差的修正方面，国内外学者在相关领域开展了一定的研究。EN W X 等4 采用响应面法对大型土木工程结构有限元模型进行修正，并且在对实际桥梁的有限元模型修正中取得了良好的效果。秦玉灵5 提出了一种基于 BF 的机翼有限元模型修正方法，并将修正后模型与基准模型在测试频段内、段外的模态频率近似度进行比较，证实了修正后模型的有效性。WANG J T 等6 将 Kriging
10、模型引入优化过程，对蜂窝夹芯梁组合结构进行了模型修正，结果表明修正后模型与实验数据匹配问题得到了改善。张文丰等7 采用二次多项式响应面和克里金响应面模型对岸边集装箱起重机有限元模型进行修正。结果表明，对于岸桥结构，该方法修正计算效率高、修正精度高。501信息技术翁智逸，等基于 PSOBP 算法的隧道窑仿真模型修正方法研究本文针对压电陶瓷烧成工艺所使用的电热式隧道窑构建仿真模型，首先获得隧道窑内的温度分布情况;接着通过神经网络拟合模型参数与特征量之间的隐式关系，获得代替有限元模型的代理模型对参数进行修正;最后以修正后的模型参数构建仿真模型。结果表明:采用修正后的模型参数构建有限元模型的精度较高，
11、相对误差相较于修正前大幅降低;说明基于神经网络的有限元模型修正方法可以较好地消除模型参数带来的模型误差。基于以上理论获得的电热隧道窑温度场的精确仿真模型，为进一步研究压电陶瓷质量和温度之间的关系奠定了研究基础。1隧道窑仿真模型的建立电热隧道窑属于连续作业式加热炉，其结构示意图如图 1 所示。硅碳棒作为热源对称分布在炉膛的上部空间和下部空间，硅碳棒通电将电能转变为热能，使得炉内形成高温环境。热电偶是用于采集窑炉内部温度的传感元件。1、2、3、4热电偶;5硅碳棒;6压电陶瓷;7推板。图 1电热隧道窑部分示意图隧道窑工作时，压电陶瓷以等间隔放置推板上，推板沿着炉长方向以固定的速度将压电陶瓷送入窑内烧
12、制，压电陶瓷在移动中逐渐被加热，加热完毕后从出料门出炉。窑内温度的高低与分布是隧道窑的重要指标，是研究陶瓷产品质量的前提。但是热电偶所采集的温度数据并不能完全反映隧道窑的温度分布，也不能代表压电陶瓷的实际加热温度。可以用基于数值模拟与实验验证相结合的方式对隧道窑内的温度场进行仿真，以获得更为准确的温度分布数据。其仿真过程如下。1)湍流基本模型工程上常常采用湍流模型来研究流体实际问题，本文研究的是隧道窑内的气流温度场。窑内气体流动属于湍流流 动，常 用 的 湍 流 模 型 有 Standard k 模 型、NG k 模型、ealizablke k 模型等，其中 Standard k模型因为适中的
13、计算量、较多的数据积累和较高的精度等优点被工程上广泛使用。本文采用 Standard k 湍流模型，其中壁面函数采用标准壁面函数。Standadr k 方程形式如式(1)式(3)所示8。(k)t+(kui)xi=xj+tk()kxj+Gk+GbYM+Sk(1)()t+(ui)xi=xj+t()xj+C1k(Gk+C3Gb)C22k+S(2)t=Ck2(3)式中:k、分别为湍流动能和湍流耗散率;为流体密度;ui为湍流在对应方向上的速度分量;t为湍流黏性系数;Gk为由层流速度梯度而产生的湍流动能;Gb为由浮力产生的湍流动能;YM为可压缩湍流过度扩散产生的波动;Sk为湍流动能方程的源项;S为扩散方程
14、源项;C3为可压缩湍流计算中浮力相关的系数，其余参数为模型常量，在Fluent 中的典型取值分别为 C1=144，C2=192，C3=10，k=10，C=009。2)辐射模型隧道窑温度场模拟仿真主要基于辐射传热模型，计算辐射传热模型主要有 5 种:S2S 辐射模型、P1 辐射模型、osseland 辐射模型、DTM 辐射模型和 DO 辐射模型。不同的模型有不同的应用范围，表 1 为辐射过程中涉及的因素与各个辐射模型的匹配程度9。表 1辐射模型与涉及因素的匹配程度因素osselandP1DTMS2SDO复杂程度光学厚度313任何任何散射和发射不敏感离子效应半透明介质非灰辐射局部热源热流过高由表1
15、 可以看到只有 P1 辐射模型和 DO 辐射模型能够考虑散射和发射以及气体与颗粒间辐射换热的影响，而且DO 辐射模型同时又考虑了镜面反射以及非灰体辐射和局部热源的影响。在应用场合方面，P1 辐射模型仅适合于光学厚度较大的场合，即仅适用于计算域较大的场合，而 DO 模型在所有场合都可以应用，因此本文选用 DO 辐射模型。2隧道窑温度场数值模拟21实体模型建立电热隧道窑主要技术参数如表 2 所示。窑炉的外壳由钢板制成，炉膛采用 JM28 莫来石作为耐火层，厚度为230mm;隔热层由高铝聚轻球砖和轻质黏土层组成，厚度为 230mm;炉膛和外壳之间充填着保温纤维和轻质保温砖，厚度为 150mm。表 2
16、隧道窑主要技术参数参数数值电源/V380/220功率/kW201试验温度/1 400工作温度/1 350推进速度/(mm/h)750炉膛尺寸/mm18 185450220601信息技术翁智逸，等基于 PSOBP 算法的隧道窑仿真模型修正方法研究对电热隧道窑进行模型绘制，如图 2 所示，其中长方体为加热炉的流体域，主要组成成分是空气。流体域的上部空间和下部空间分别安装了 7 组硅碳棒。在物理模型绘制完成后，分别对模型中的流体和固体赋予材料属性。在完成实体模型绘制后，对整个结构进行网格划分，再对所划分的网格进行质量检查，以确认是否有负体积。图 2模型网格划分22温度场数值模拟仿真对隧道窑的温度场进行仿真，窑炉的进口风速和碳棒的温度为仿真模型的输入参数。选取 400 组工况数据进行仿真，部分工况参数如表 3 所示。进口风速参考实际窑炉运行过程中的进口风速范围进行选取，风速范围由历史最小风速和最大风速确定。表 3部分工况参数工况编号进口风速/(m/s)每组碳棒温度/K123456710107771 128 1 409 1 598 1 660 1 61887320507771 125 1 403