电涡流检测导电平板裂纹缺陷的有限元仿真研究.pdf

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1、、科技·探索·争鸣科技视界团固盈电涡流检测导电平板裂纹缺陷的有限元仿真研究齐川张思全(上海海事大学物流工程学院，中国上海201306)【摘要】为了研究裂纹缺陷的深度对检测结果的影响，本文基于AnsoftMaxwell3D涡流场分析的方法，建立了涡流检测系统模型，以裂纹深度为变量．使激励线圈在导电平板上方沿裂纹垂直方向进行扫描仿真，得到了激励线圈的磁力线分布和导电平板的电涡流密度分布，并分析不同的裂纹深度对磁感应强度的影响。结果表明：当激励线圈接近导电平板裂纹时，磁感应强度会发生变化，裂纹越深，其变化越大。【关键词】涡流检测；裂纹缺陷；有限元仿真；磁感应强度0引言真

2、分析．其中Maxwe113D涡流场模块用于分析导体中时变电流或外界交变磁场源所弓1起的时变磁场．它利用自适应分析法进行网格剖随着工业技术的快速发展．许多行业对于金属材料表面光滑度的分．可使求解问题的速度和精度得到提高。要求越来越高．光滑度的高低直接影响到工业生产的安全、产品的质3．1模型构建量等．因而对金属材料表面缺陷的检测已经成为工业生产中的一个重首先建立涡流检测模型模型主要由线圈、铁芯和被测工件三部要环节目前．针对金属材料表面的缺陷，常用的无损检测方法有射线分组成_二维模型如图1所永、其中．被测工件是一块(40*40*5)inln3检测、超声检测、磁粉检测、涡

3、流检测等其中，涡流检测技术是一种基的不锈钢平板，其电导率为l6．5MS～，相对磁导率为l，表面正中心于电磁感应原理的常规无损检测方法．它采用非接触测量，不需要耦有一个矩形缺陷激励线圈的内径为3．2mm，外径为5．6nlm，提离高度合剂．不需要对材料表面清洗，具有检测速度快，灵敏度高，抗干扰能为1Innl，匝数为800，材料属性为系统默认的铜。铁芯的底面半径为力强等特点．因此在工业生产和科学研究等各领域都得到了广泛的应4m，n．高度为5mITl'材料属性为铁氧体。背景区域为空气。各部分材料用⋯的电导率、磁导率恒定且各向同性．．金属导体表面裂纹缺陷的定性、定量分析一直

4、是涡流检测中的重点问题本文基于有限元仿真法．利用Ansof{Maxwell软件建立包括线圈和导体平板的涡流检测系统有限元模型．对不同深度的裂纹进行有限元仿真．从电磁场分布的角度深入分析不同裂纹深度对磁感应强度的影响．从而为快速、准确地获取缺陷的真实深度提供参考依据，同时也有利于涡流传感器参数的优化设计．并降低了涡流检测系统的实验成本m1基本原理涡流榆测是建立在电磁感应原理基础之上的一种无损检测方法．由二部分组成[41])ja载交变电流的检测线圈、检测电流的仪器和被检测的导电物体当通有交变电流的线圈靠近被检测导电物体时，由于图1导电平板涡流检测的有限元模型线圈中交变

5、电流产生的一次磁场作用于导体．在导体表面感应出涡电流．该涡电流同时产生一个与原磁场方向相反的二次磁场作用在检测3．2参数没定与求解器没定线圈若导电物体的表面存在裂纹缺陷，由于裂纹电阻大，会切断或降有限元的参数设定一般包括设骨边界条件、激励源和网格剖分低电涡流．使其流向发生扭曲．朝着缺陷的底部和边缘偏转，从而影响等该模型中由于对称面两侧的电流大小相等，符号相反．而且磁场到T件周围感应磁场的分布因此，可通过测量该感应磁场的变化，实与对称面相切．所以将背景区域的左边界和后边界设为Zero现裂纹等缺陷的定性、定量分析。I41TangentialHF1边界条件．即磁场强度切

6、向分最恒为零边界条件。由于线圈为多股聚酯漆包铜线多层并绕而成．故本文采用绞线电2理论基础流源strail{1．匝数为800、假定线圈激励电流红其截面上均匀分布。激19世纪中期．麦克斯韦在总结前人工作的基础上，提出了适用于励源l电流仞始相化为0。绕组Il乜流没为弦激励电流，幅值为100A，所有宏观电磁现象的数学模型．称之为麦克斯韦方程组。麦克斯韦方相位为0。程组描述了电磁场的基本特征．是涡流检测技术的理论基础。它由四考虑到涡流对导体的集肤效应．对被测导体采用基于集肤效应渗个定律组成．分别为：安培环路定律、高斯磁通定律、法拉第电磁感应透深度剖分设黄．即导体表面的网格较

7、为稠密．而集肤效应层之下的网格则相对较为稀疏输入材料的卡钉对磁导牢、电导率和T作频率，软定律和高斯电通定律其微分形式如下所示：件便可自动¨‘锋}{j集肤效』、的渗透深度V×E=一(1)d￡最后一步为没置求解器没定激励频率为lOkHz．选择自适应分析．没置汁算的循环数50、每次衙环改进的’分比为30％，以及总的vxH=^(2)Ot能蜀误差5％VxD=．p(3)4仿真结果分析VxB=0(4)式中E表示电场强度矢量．H表示磁场强度矢量．D表示电通密根据MaxweI1电儆感应娜’^．激呐线罔远离缺陷区域时，1二件周围的度矢量，B表示磁通密度矢量，J表示电流密度矢量，P表示

8、电荷密度。