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摘 要（章节标题：三号；黑体，或者宋体加粗；居中）红外热成像无损检测技术由于其检测面积大、检测速度快和非接触从而在材料和构件的无损检测中应用越来越广泛。为了深入理解红外热成像无损检测技术的传热机理、模拟热流在构件内部传导过程、建立导热的仿真算法，本文首先建立了热传导的三维模型，根据实际需要将其简化为二维模型，然后对该模型进行分析，从而得到所需的仿真算法，并且利用该算法开发出了针对二维热传导的仿真软件。另外，本文还研究了奇异值分解法和主分量分析法在红外数字图像序列处理中的应用，并且开发了用于研究这两种图像处理算法的专用软件。（正文，小四，宋体，首行缩进两个汉字，行间距：1.25倍）关键词：（四号，宋体，顶头写）红外热成像无损检测，有限差分法，图像处理（关键词，小四，宋体，逗号隔开）只要中文摘要，不要英文的（一般多半页就可以了）另外：注意页码设置II目 录第一章 绪论.11.1课题来源、研究目的及意义.11.2国内外研究现状与发展趋势.21.2.1国内红外热成像无损检测技术现状.21.2.2国外红外热成像无损检测技术现状.31.2.3应用领域和技术发展趋势.41.3课题的主要工作及论文的章节安排41.3.1课题所做的工作.41.3.2论文章节安排.5第二章 传热模型的理论分析.62.1传热学的基本理论62.1.1导热.62.1.2对流.72.1.3热辐射.82.1.4温度场.92.1.5导热微分方程.92.1.6导热问题的边界条件.102.2物理模型的建立.112.3数学模型的建立.112.4微分方程的求解.142.4.1空间区域的离散化方法.162.4.2有限差分方程的建立方法.182.4.3差分格式的构成.192.4.4热传导方程转化为有限差分方程.192.4.5步长的设定.23第三章 热传导仿真软件的开发.243.1仿真软件的开护53结论.54参考文献.55附录.59致谢.62第一章 绪论（每一章节，从新的一页开始）1.1 课题来源、研究目的及意义本课题源自于国家自然科学基金资助项目“大型复合材料板壳红外数字层析检测技术研究（50175003）”和航空科学基金资助项目“大尺寸复合材料层压板和蜂窝板的红外热波无损探伤（02G51050）”。复合材料是航空航天飞行器制造领域最重要的材料之一。复合材料与金属材料相比，具有重量轻、强度高、抗疲劳、耐腐蚀、隔热性能好等优良特性，在航空航天技术发达的国家里得到了广泛的应用。随着我国航空航天技术的发展及复合材料制造水平的提高，复合材料在飞机、导弹、运载火箭、卫星等航空航天器上的应用也越来越多。目前，复合材料的无损检测技术很多，如X射线照相、超声波扫描、激光全息照相、影像云纹法、声发射法和表面复印等1，其中，X射线照相和超声波扫描两种技术较为成熟，应用比较广泛2。但是，对于大面积复合材料板壳结构件的无损检测，国内尚缺乏非常有效的技术。红外热成像无损检测（infrared thermographic non-destructive testing, TNDT）在大面积板壳结构的无损检测方面，被认为是一种很有前途的技术。它的独特优势在于检测面积大、速度快、非接触、可单向检测、不污染试件和环境、对人体安全以及可用于外场检测，这些优点是X射线照相和超声波扫描无法比拟的。唯一的不足是红外热成像无损检测的分辨率一般不如X射线照相和超声波扫描高，但目前可达到的分辨率已经能够满足绝大多数场合的探伤要求。因此，开发红外热成像无损检测技术具有重要的理论意义和应用价值。对红外热成像无损检测的实验过程进行仿真分析，不仅能够帮助设计合理的实验条件，而且可以在实验条件不具备的情况下对实验过程进行仿真计算，以得到合理的仿真数据。通过仿真计算，将有助于分析构件的表面温度信号与构件的几何参数、组成构件的材料的热物性参数、缺陷的几何参数、缺陷的热物性参数、构件的边界条件和实验中的加热方式等因素的关系，有助于开发新的检测方法和数据处理方法，有助于设计最佳的检测方式及确定信号的最佳采集时段。进行仿真计算的关键是选择仿真软件，但目前国内在仿真软件的开发方面尚显不足，迄今为止尚无国产商用仿真软件发布。本文研究的目的在于通过对典型的红外热成像无损检测模型的理论分析和数值计算分析，找出合适的算法，开发出应用于红外热成像无损检测的专用仿真软件。课题的另一个目的是研第二章 传热模型的理论分析2.1传热学的基本理论传热学是研究由温差引起的热量传递规律的科学，是红外热成像无损检测技术的主要物理理论基础。热量传递有三种基本方式：导热、对流和热辐射23。2.1.1 导热导热是由物质内部的温度梯度引起的，物质各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子以及自由电子等微观粒子的热运动而产生热量传递的。从微观角度来看，气体、液体、导电固体和非导电固体的导热机理是有一定差别的。气体中，导热是气体分子做不规则运动时相互碰撞的结果；导电固体的自由电子的运动在其导热中起着主要作用；非导电固体中，导热是通过晶格结构的振动来实现的；至于液体的导热机理，还存在着不同的观点，此处就不再详述。对上述导热现象的规律可由傅里叶定律来表示，其表达式为： （2.1）（公式的示例）式中是空间某点的温度梯度；是通过该点的等温线上的法向单位矢量，指向温度升高的方向；为该处的热量密度矢量；为导热系数。傅里叶导热定律及导热微分方程式是基于热量扩散的速度是无限大的假定，对大多数工程导热问题，这一假定是可以接受的。但对于在极短时间内发生的导热现象（如某些激光加工），这一假定不再适用，这类现象称为非傅里叶导热问题24。考虑到热量传播速度这一因素，经典的傅里叶定律（2.1）被R. M. Morse和H. Feshbach等人修正为： （2.2）式中为温度梯度所在截面上热流密度随时间的变化率，则为在松弛时间间隔内截面上热流密度的改变量，该项的引进是因为温度场的重新建立和温度梯度的改变在时间上滞后于热扰动，而导致在松弛时间间隔内截面上热流密度出现的改变。式（2.2）常被称为通用的傅里叶定律。对于瞬态的热传导问题到底是对其作傅里叶分析还是作非傅里叶分析，也就是什么 图3.1 三维柱状模型 图3.2 三维柱状模型简化后(图的命名方式，五号，宋体加粗或黑体图 章节.图的序号 图的名称例：图3.1 三维柱状模型)第三章 热传导仿真软件的开发C+是当今功能最强大、最完善的计算机语言，Microsoft Visual C+（简称VC）是微软公司提供的基于C/C+的应用程序集成开发工具。VC拥有丰富的功能和大量的扩展库，使它能有效地创建高性能的Windows应用程序和Web应用程序，是软件开发人员不可多得的开发工具。几乎所有的世界级软件，从主流的Web浏览器到关键任务的企业应用程序，都是使用VC创建的。VC的优越性主要表现在以下四个方面：1、 开发分布式应用。VC经常用于开发需要广泛分布的应用程序。2、 开发的应用运行效率高、具有健壮性。在开发支持成百上千并发用户的服务器程序方面，使用VC开发工具具有明显优势。3、 能缩短软件升级周期。C+类的重用特性以及它对函数库、DLL库的支持能使程序更好地模块化，并缩短软件维护和升级时间。4、 VC能够生成多线程应用，而多线程应用对于增加并发响应有实际意义。VC除了提供高效的C/C+编译器外，还提供了大量的可重用类和组件，包括著名的微软基础类库（MFC）和活动模板类库（ATL），并且通过向导程序大大简化了库资源的使用和应用程序的开发。与其他开发工具相比，如果选用VC作为开发工具，那么开发的应用程序复杂性越大，则受益越多35-40。正是VC具有如此强大的功能和优势，所以本文选用它作为仿真软件的开发工具。3.1 仿真软件的开发3.1.1问题说明研究开发一个针对复合材料红外热成像无损检测的二维计算机仿真软件,其主要作用是在对复合材料进行红外热成像无损检测之前首先对其进行仿真计算，根据实际的检测环境设计出较好的实验条件，并且还可以用仿真数据和实际得到的实验数据进行比较，减少影响实验的不利因素。3.1.2 需求分析该软件首先具有的功能是仿真计算，这是软件的核心，用于计算热流在构件中的传导过程。另外还具有两个辅助的功能存储仿真计算得到的数据和绘制所选定的点温度随时间变化的曲线，这两者是为仿真计算后的其他工作做准备的。3.1.3 总体设计该软件需要实现的功能较少，结构比较简单，其功能大体分为如下几点：1、参数输入及检验其合理性这部分主要是对仿真前期的工作做准备的，分为两个子部分输入参数和检验参数的合理性。这一步对以后仿真的进行有着举足轻重的作用。2、对热传导进行仿真这部分主要是根据传热学的基本原理，借助数学计算方法对热流在材料内部的传导进行仿真计算。这一步是仿真软件的核心。3、保存仿真数据仿真计算后生成大量的数据，为了更好的利用这些数据，必须将它们给保存表3.1 构件的结构参数L(mm)R(mm)l(mm)d(mm)rd(mm)2500.90.15结 论随着我国制造业的发展和航空航天技术水平的不断提高，无损检测技术得到长足的发展和日益广泛的应用。红外热成像无损检测因其具有的诸多优点，经过十多年的快速发展，在发达国家已经成为与射线和超声并列的三大无损检测技术之一，广泛应用到各个行业中，尤其在航空航天领域，已成为飞行器及其使用材料快速无损检测的重要工具。与发达国家相比，目前我国在红外热成像无损检测技术的研究深度和发挥作用的程度还远远不够。本文在已有的研究成果的基础上，对红外热成像无损检测的理论做了进一步的研究和探讨，主要工作包括以下几方面的内容：1、建立了二维热传导的物理模型，对该模型在受到激励（加热）后热流在其内部传导过程做了详细的分析和推导，根据分析结果建立了热传导的数学模型，与此同时，对模型的边界条件做了合适的处理。详细分析了微分方程数值解法有限差分法，对应用有限差分求解微分方程的特点一一做了阐述，然后应用分析结果对所得的导热微分方程进行了离散化处理，得到了导热微分方程的有限差分格式，从而得到了二维模型导热算法。参考文献1 曾令可,吴卫生.复合材料的红外无损检测J.激光与红外, 1996, Vol.26(2): 80-842 刘松平, 郭恩明. 复合材料无损检测技术的现状与展望C. 第十三届国际复合材料学术会议专辑, 2001(3): 30-323 梅林, 张广明, 王裕文. 红外热成象无损检测技术及其应用现状J. 无损检测, 1999, Vol.21(10): 466-4684 黄毅.热弹性红外图像安全检测系统J.中国科学院院刊,2003, No.3: 202-2055 刘莹,张记龙.材料的红外无损检测技术及其进展J.华北工学院测试技术学报,2001,Vol.15(4): 275-2796 James, B.Spicer,John, L.Champion, Robert Osiander, Jane W.M.Spicer. Time resolved Shearographic and thermographic NDE methods for graphite epoxy/honeycombJ composite.Materials Evaluation, 1996, Vol.54(10): 1210-12137 郑君里，杨为理，应启珩.信号与系统（上册）M.北京：高等教育出版社，1997,46-478 陶文铨. 数值传热学M. 西安：西安交通大学出版社，1988,1-59 胡健伟,汤怀民. 微分方程数值方法M. 北京：科学出版社. 1999，77-24110 戴嘉尊,邱建贤. 微分方程数值解法M. 南京：东南大学出版社 2002.2，42-21211 Shih，T.M.，Numerical Heat TransferM，Hemisphere，Washington，D.C.，198412 陶文铨. 计算传热学的近代进展M. 北京：科学出版社，2000.6, 1-413 俞昌铭.热传导及其数值分析M.北京：清华大学出版社，1981,1-450附录 仿真软件测