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(西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500)

圖1 ACFM檢測(cè)缺陷識(shí)別結(jié)果

交變電磁場(chǎng)檢測(cè)(ACFM)技術(shù)是一種新興的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。工件感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度在x方向上的Bx磁通密度曲線(xiàn)上出現(xiàn)的凹陷反映裂紋的深度，在z方向上的Bz磁通密度曲線(xiàn)上出現(xiàn)的波峰和波谷反映裂紋的長(zhǎng)度；因此只需得到Bx和Bz的特征分布，就可以分析檢測(cè)到缺陷的具體位置和尺寸[1]，ACFM檢測(cè)缺陷識(shí)別結(jié)果如圖1所示。利用ACFM技術(shù)檢測(cè)缺陷時(shí)，具有非接觸測(cè)量、無(wú)需打磨、無(wú)需標(biāo)定、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[2]，能較大程度減少檢測(cè)工時(shí)，降低檢測(cè)成本，在國(guó)內(nèi)外鉆井平臺(tái)、鐵路軌道和鋁合金外殼飛機(jī)等的檢測(cè)工作中有十分廣泛的應(yīng)用[3-4]。

目前，ACFM技術(shù)的研究是建立在模型計(jì)算和分析待測(cè)工件表面感應(yīng)電流分布特征及感應(yīng)磁場(chǎng)上的，建立模型和計(jì)算電磁場(chǎng)信號(hào)特征是交變電磁場(chǎng)準(zhǔn)確檢測(cè)缺陷的基礎(chǔ)[5]。已經(jīng)有大量的研究[6-8]是基于ACFM檢測(cè)原理和電磁場(chǎng)特性來(lái)建立不同結(jié)構(gòu)和參數(shù)的激勵(lì)探頭數(shù)學(xué)模型和進(jìn)行仿真分析的，特別是以U型激勵(lì)探頭模型結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的研究，但激勵(lì)探頭磁芯的幾何參數(shù)對(duì)工件缺陷檢測(cè)準(zhǔn)確度的影響還沒(méi)有系統(tǒng)研究。因此，筆者通過(guò)應(yīng)用軟件COMSOL Multiphysics電磁模塊建立了U型激勵(lì)探頭仿真模型，研究了各幾何參數(shù)激勵(lì)探頭的感應(yīng)電磁場(chǎng)分布影響規(guī)律，獲得了檢測(cè)靈敏度最高的U型磁芯的幾何參數(shù)，為U型ACFM激勵(lì)探頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)參考。

1 激勵(lì)線(xiàn)圈仿真模型

由激勵(lì)探頭數(shù)學(xué)模型的計(jì)算方法可知，若使用交變電磁場(chǎng)技術(shù)對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)，工件表面必須形成勻強(qiáng)磁場(chǎng)[9]。通過(guò)比較勻強(qiáng)電流的兩種激勵(lì)方式，用數(shù)值計(jì)算的方法得出矩形截面線(xiàn)圈符合ACFM檢測(cè)的要求[10]。結(jié)合交變電磁場(chǎng)檢測(cè)范圍的實(shí)際需要，最后采用了矩形激勵(lì)線(xiàn)圈套在有矩形橫梁的U型結(jié)構(gòu)上作為激勵(lì)探頭結(jié)構(gòu)，因?yàn)榭紤]線(xiàn)圈的繞組可層層繞制，即可忽略磁芯各處截面所形成的影響，同時(shí)U型線(xiàn)圈在傳感器安置上具有優(yōu)勢(shì)，滿(mǎn)足多磁路少漏磁[11]的檢測(cè)要求，所以采用各截面為矩形的U型激勵(lì)繞組線(xiàn)圈。U型激勵(lì)探頭檢測(cè)工件的仿真模型和磁芯的結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

建立的三維U型激勵(lì)線(xiàn)圈檢測(cè)缺陷工件的仿真模型共分為4個(gè)部分，即激勵(lì)探頭磁芯、繞組線(xiàn)圈、帶缺陷工件和空氣層等。激勵(lì)線(xiàn)圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)的磁通量最大限度地匯聚到工件表面，可獲得明顯的檢測(cè)效果。此外，由磁芯加上一個(gè)或多個(gè)彼此平行的繞組繞制而成的U型線(xiàn)圈中，線(xiàn)圈繞組內(nèi)芯材料為銅，電阻率為0.01 Ω·m，導(dǎo)線(xiàn)直徑為0.15 mm，線(xiàn)圈匝數(shù)為500；內(nèi)芯再接入頻率為6 kHz，幅值為0.2 A的正弦電流。磁芯底面距離缺陷工件表面3 mm，裂紋位于工件中心，簡(jiǎn)化缺陷為矩形凹槽，填充空氣。考慮電磁場(chǎng)在空氣中的衰減，在激勵(lì)探頭和工件模型外圍設(shè)置邊界，此邊界域假定為磁場(chǎng)的無(wú)限遠(yuǎn)處，這部分區(qū)域?yàn)榭諝鈱印ＤＰ蛥?shù)以一般ACFM激勵(lì)探頭的尺寸作為初設(shè)定值，具體參數(shù)如表1所示。

圖2 U型激勵(lì)探頭檢測(cè)工件的仿真模型和磁芯的結(jié)構(gòu)示意

對(duì)模型工件和線(xiàn)圈表面采用分區(qū)域的形式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，工件缺陷尺寸較小，若采用大網(wǎng)格的劃分方法，則檢測(cè)精確度低[12]，所以必須在缺陷處細(xì)化網(wǎng)格，以保證檢測(cè)精度，同時(shí)能避免計(jì)算時(shí)的資源浪費(fèi)。仿真模型的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

表1 U型激勵(lì)線(xiàn)圈檢測(cè)工件仿真模型的參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果與分析

在距離工件外部1 mm正對(duì)缺陷中心位置處，沿缺陷走向各延伸30 mm來(lái)設(shè)置感應(yīng)磁場(chǎng)的測(cè)量路徑，可以更準(zhǔn)確地得到路徑上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量Bx和Bz的變化曲線(xiàn)[13]，通過(guò)電磁場(chǎng)模塊來(lái)對(duì)U型激勵(lì)線(xiàn)圈檢測(cè)缺陷工件的仿真模型進(jìn)行物理場(chǎng)仿真分析，仿真得到的被測(cè)工件表面感應(yīng)電流分布情況如圖4所示，工件表面感應(yīng)磁場(chǎng)分量的特征曲線(xiàn)如圖5所示。

圖3 仿真模型的網(wǎng)格劃分

圖4 工件表面感應(yīng)電流的矢量分布

圖5 工件表面感應(yīng)磁場(chǎng)分量的特征曲線(xiàn)

由圖4可知，模型中的感應(yīng)電流特征分布符合ACFM檢測(cè)的理論結(jié)果[14-15]。從圖5可以看出，分量Bx圖中的凹陷和Bz分量圖的波峰波谷間距很明顯地表現(xiàn)出了缺陷的位置和缺陷的尺寸，而且合成的蝴蝶圖能夠很好地閉合，可以實(shí)現(xiàn)ACFM對(duì)缺陷的監(jiān)測(cè)分析結(jié)果，說(shuō)明建立的仿真模型合理。由于磁感應(yīng)分量Bx和Bz都可以體現(xiàn)具體位置的磁感應(yīng)密度，只分析Bz分量隨參數(shù)變化的特征值，將檢測(cè)到兩個(gè)峰值間的距離與缺陷限定值相比較，用得到的相對(duì)誤差δ來(lái)判定激勵(lì)線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)對(duì)缺陷檢測(cè)靈敏度和準(zhǔn)確度的影響。以初設(shè)模型為基準(zhǔn)，調(diào)整激勵(lì)線(xiàn)圈的磁芯腿部高度h，腿部底面與底板距離保持不變，通過(guò)對(duì)多組磁芯腿部數(shù)據(jù)的分析，得出磁感應(yīng)信號(hào)分量Bz的特征分布規(guī)律。分量Bz隨磁芯腿部高度h的變化曲線(xiàn)如圖6所示，Bz峰值隨磁芯腿部高度h的變化曲線(xiàn)如圖7所示，Bz的特征值隨磁芯腿部高度h的變化數(shù)據(jù)如表2所示。

圖6 分量Bz隨磁芯腿部高度h的變化曲線(xiàn)

圖7 Bz峰值隨磁芯腿部高度h的變化曲線(xiàn)

從圖6，7和表2可以看到，當(dāng)磁芯腿部高度h在87.5～137.5 mm之間變化時(shí)，隨著h的增加，磁通密度分量Bz的大小逐漸降低，缺陷的特征值曲線(xiàn)變化趨勢(shì)并不明顯。通過(guò)波峰波谷的間距反映出的裂紋長(zhǎng)度L，可以得出磁芯腿部高度大于117.5 mm時(shí)，檢測(cè)誤差較大，對(duì)結(jié)果影響很大。特別地，當(dāng)h小于87.5 mm時(shí)，磁通密度并不隨著h的增加而一直增加，而是出現(xiàn)了回落現(xiàn)象。由此可知，在U型激勵(lì)探頭的磁芯腿部高度不妨礙檢測(cè)傳感器正常工作的情況下，可以適當(dāng)?shù)販p小腿部高度h。當(dāng)腿部高度達(dá)到87.5 mm時(shí)，缺陷定位更加靈敏，缺陷尺寸信息更準(zhǔn)確。

以初設(shè)模型為基準(zhǔn)，對(duì)激勵(lì)線(xiàn)圈磁芯上部長(zhǎng)度ω進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)對(duì)多組數(shù)據(jù)的分析，得出磁感應(yīng)信信號(hào)Bz分量的特征分布規(guī)律，仿真結(jié)果如圖8，9所示，各參數(shù)特征值如表3所示。

表2 Bz的特征值隨磁芯腿部高度h的變化數(shù)據(jù)

圖8 分量Bz隨磁芯上部長(zhǎng)度w的變化曲線(xiàn)

圖9 分量Bz的峰值隨磁芯上部長(zhǎng)度w的變化曲線(xiàn)

上部長(zhǎng)度w/mmBz波谷位置Dz1/mmBz波峰位置Dz2/mm裂紋長(zhǎng)度檢測(cè)值L/mmL檢測(cè)誤差δ/%160-8.0328.08116.1130.707180-7.9757.95815.9330.419200-7.9998.05116.0500.313220-7.9618.00315.9640.225240-7.9328.01015.9420.363260-7.8757.93215.9071.121

分析圖8，9可知，當(dāng)上部磁芯長(zhǎng)度w以20 mm的間距增加時(shí)，磁通密度分量Bz隨著w的上升并不呈連續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，雖然在180～220 mm之間有較好的特征值，表3中缺陷長(zhǎng)度L的檢測(cè)誤差δ相較之下也較小，缺陷位置信息較容易被采集和識(shí)別，但對(duì)數(shù)據(jù)整體分析來(lái)看，磁芯上部長(zhǎng)度w的變化對(duì)缺陷檢測(cè)準(zhǔn)確度的影響很小。

以初始模型為基準(zhǔn)，以磁芯腿部截面為參考，保持激勵(lì)線(xiàn)圈截面長(zhǎng)度l不變，對(duì)截面寬度s(磁芯腿部y方向尺寸)進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)對(duì)多組數(shù)據(jù)的分析,得出磁感應(yīng)信號(hào)Bz分量的特征分布規(guī)律，其仿真結(jié)果如圖10，11所示，Bz的特征值隨磁芯腿部截面尺寸的變化數(shù)據(jù)如表4所示。

圖10 分量Bz隨磁芯腿部截面尺寸變化曲線(xiàn)

圖11 分量Bz的峰值隨磁芯腿部截面尺寸變化曲線(xiàn)

尺寸(長(zhǎng)×寬)/mmBz波谷位置Dz1/mmBz波峰位置Dz2/mm裂紋長(zhǎng)度檢測(cè)值L/mmL檢測(cè)誤差δ/%35×20-8.0328.08116.1130.70635×30-7.9637.97816.9410.35635×40-8.0037.95115.9540.28835×50-7.9998.05116.0500.31335×60-7.9728.00615.9780.13835×70-7.9897.97415.9630.231

分析Bz分量的曲線(xiàn)圖，可以看到，在保持截面長(zhǎng)度l不變的情況下，逐漸增大磁芯腿部截面寬度s，磁通密度分量Bz在波峰和波谷處有隨著s上升而增大的趨勢(shì)，有突出的特征信號(hào)，但不是一直在增加，超過(guò)一定范圍后，有保持不變的趨勢(shì)。同時(shí)，通過(guò)分析數(shù)據(jù)表中缺陷長(zhǎng)度L的檢測(cè)誤差δ，得出當(dāng)磁芯寬度s為60 mm時(shí)誤差較小，說(shuō)明此時(shí)對(duì)缺陷尺寸檢測(cè)準(zhǔn)確度的影響較小，即磁芯腿部寬度s保持在60 mm左右，更有利于數(shù)據(jù)的采集處理、缺陷位置的檢測(cè)和尺寸信息的獲取，能夠得到較好的靈敏度和準(zhǔn)確度。從以上研究中得出磁芯參數(shù)對(duì)缺陷檢測(cè)精確度影響的規(guī)律，按照實(shí)際檢測(cè)工作的要求，選定線(xiàn)圈腿部高度為97.5 mm、鐵芯上部長(zhǎng)度為200 mm和線(xiàn)圈截面尺寸(長(zhǎng)×寬)為35 mm×70 mm這一最優(yōu)組合,得出其磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz分量的特征值曲線(xiàn)(見(jiàn)圖12)。

圖12 最優(yōu)組合下磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz分量的特征值曲線(xiàn)

3 結(jié)論

在仿真研究中，利用有限元分析軟件COMSOL Multiphysics對(duì)交變電磁場(chǎng)檢測(cè)U型激勵(lì)線(xiàn)圈模型的幾何參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，得到了激勵(lì)線(xiàn)圈磁芯的腿部高度、上部長(zhǎng)度、截面長(zhǎng)和寬的變化對(duì)缺陷檢測(cè)準(zhǔn)確度的影響；對(duì)比分析得出了U型激勵(lì)探頭磁芯的腿部高度在不妨礙檢測(cè)傳感器正常工作的情況下可適當(dāng)減小，現(xiàn)有模型中可減小到87.5 mm，這樣在檢測(cè)波形處理的過(guò)程中，缺陷定位更加靈敏，檢測(cè)到的缺陷尺寸信息更加準(zhǔn)確。其磁芯上部長(zhǎng)度在實(shí)際應(yīng)用中需考慮檢測(cè)環(huán)境的需要，因?yàn)檫^(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致探頭尺寸過(guò)大而影響檢測(cè)工作的正常進(jìn)行，過(guò)短則導(dǎo)致檢測(cè)缺陷具有局部性；且上部長(zhǎng)度對(duì)檢測(cè)結(jié)果并不敏感，故在現(xiàn)有模型中可將上部長(zhǎng)度設(shè)置為200 mm，在生產(chǎn)中也可根據(jù)需要選取適當(dāng)尺寸；磁芯腿部y方向的尺寸相對(duì)取較大值，即磁芯腿部寬度保持在60 mm左右，有利于數(shù)據(jù)采集處理、缺陷位置檢測(cè)和尺寸信息的獲取，能夠得到較好的靈敏度和準(zhǔn)確度，故可將截面尺寸設(shè)置為35 mm×50 mm(長(zhǎng)×寬)。以上的結(jié)論為ACFM交變電磁場(chǎng)激勵(lì)探頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供參考依據(jù)。