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电涡流检测的有限元仿真分析

作　者: 王燕
导　师: 刘正平
学　校: 华东交通大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 电涡流检测 提离效应 裂纹 有限元 阻抗分析 无损检测
分类号: TM15
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 441次
引　用: 5次
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内容摘要


本文在阐述单探头涡流检测原理的基础上,以电磁场理论为基础,有限元软件ANSYS为工具,无限大平板为研究对象,对反射式涡流检测传感器附近的低频谐波电磁场进行分析,仿真被检测对象周围的磁场分布。涡流检测过程中,传感器的输出会受到被检材料、提离效应、裂纹、激励频率、线圈尺寸参数、检测对象厚度等因素的影响,本文通过仿真这些因素的变化给电磁场及线圈阻抗带来的影响,探索涡流检测线圈阻抗变化的特征和规律,为反射式涡流传感器(单探头)的设计及利用其进行裂纹检测奠定基础。利用阻抗分析方法,经模型简化,建立了二维轴对称似稳交流电磁场参数化有限元模型,在此基础上进行了大量的仿真计算,得到了如下主要结论。(1)被测材料不同,磁力线分布截然不同,探头线圈阻抗也不同。(2)线圈提离变化时,阻抗幅值受线圈提离的影响很大,但相位曲线几乎不受提离效应的影响。(3)探头与被测对象之间的距离越小,其电磁感应强度越高,被测对象中的电涡流强度也就越大。(4)当被测物体存在裂纹时,阻抗平面的幅值相对变化不大,但阻抗角却会发生明显的变化。只存在提离时阻抗角为正值,出现裂纹时则阻抗角变为负值。(5)裂纹宽度不变,深度增加时,阻抗幅值增大,相位角绝对值变小;且当裂纹深度大于贯穿深度时,阻抗幅值不再增加。(6)线圈激励频率对传感器电磁场磁力线分布的影响不大,但对电磁场的磁感应强度产生影响,频率越高,磁感应强度越低;此外,随着激励频率的增大,电涡流传感器的品质因数将增大,即电涡流强度减弱。(7)探头线圈内径的变化对传感器磁力线分布的影响不大,而外径的改变对被测体中电涡流的分布会产生影响,被测体中出现电涡流密度最大值的位置与线圈外半径大致相同。(8)当线圈匝数密度相同时,线圈内径越小、外径越大、轴向厚度越厚,传感器的灵敏度就越高,线性范围越小;线圈的匝数密度越大,传感器的灵敏度越高,线性范围越大。文章的遗憾之处是没有讨论涡流检测中的边缘效应。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章 绪论  10-16
  1.1 课题研究背景及意义  10-11
  1.2 涡流检测技术的研究现状及存在的问题  11-14
    1.2.1 涡流检测技术的研究现状及发展  11-12
    1.2.2 电机主极涡流检测系统的研究现状  12-13
    1.2.3 单探头涡流检测原理及检测过程中存在的问题  13-14
  1.3 论文的研究内容和重点  14-15
  1.4 论文的基本框架  15-16
第二章 电磁场有限元建模基本理论  16-25
  2.1 涡流检测的基本原理  16-19
    2.1.1 电涡流强度与检测距离之间的关系  18-19
    2.1.2 电涡流强度与输入频率之间的关系  19
  2.2 电磁场基本理论  19-21
    2.2.1 麦克斯韦方程组的积分形式和微分形式  20
    2.2.2 电磁场分析中的物质本构关系  20
    2.2.3 电磁场分析中的边界条件  20-21
  2.3 有限元建模理论  21-23
    2.3.1 有限元仿真软件ANSYS 介绍  21-22
    2.3.2 APDL 简介  22
    2.3.3 有限元分析过程  22-23
  2.4 阻抗分析法  23-25
第三章 电涡流检测的参数化有限元建模  25-36
  3.1 有限元模型假设  25-26
  3.2 参数化建模  26-27
  3.3 有限元模型的建立  27-31
    3.3.1 几何建模  27
    3.3.2 选择单元类型  27-29
    3.3.3 定义实常数和材料属性  29-30
    3.3.4 划分网格  30-31
    3.3.5 定义边界条件  31
  3.4 有限元模型的求解、后处理  31-36
    3.4.1 感应电磁场磁力线分布图  31-32
    3.4.2 被测对象中涡流场分布图  32-34
    3.4.3 探头线圈中的电感、电阻和电流密度  34-35
    3.4.4 求解探头线圈阻抗  35-36
第四章 电涡流检测的参数化有限元分析  36-54
  4.1 被检材料对检测结果的影响  36-41
  4.2 提离效应对检测结果的影响  41-43
  4.3 裂纹对检测结果的影响  43-45
    4.3.1 提离大小与线圈阻抗的关系  44-45
    4.3.2 裂纹深度与线圈阻抗的关系  45
  4.4 激励频率对电磁场分布的影响  45-47
  4.5 检测线圈尺寸参数对检测结果的影响  47-50
    4.5.1 线圈内径对电磁场磁力线分布和电涡流分布的影响  47-48
    4.5.2 线圈外径对电磁场磁力线分布和电涡流分布的影响  48-50
    4.5.3 线圈匝数对传感器性能的影响  50
  4.6 检测对象厚度对检测结果的影响  50-54
第五章 结论及对后续工作的展望  54-56
  5.1 主要结论  54
  5.2 本课题今后需进一步研究的地方  54-56
致谢  56-57
参考文献  57-60
个人简历 在读期间发表的学术论文  60

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电工基础理论 > 电磁场理论的应用
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