蔣元元 ， 宋 凱 ， 崔西明 ， 霍俊宏

（無損檢測技術(shù)教育部重點試驗室（南昌航空大學(xué)），南昌 330063）

0 引言

三明治結(jié)構(gòu)型材憑借其質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、整體耐腐蝕性強等諸多優(yōu)點，在船舶制造、航空航天、軌道交通等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1-2]，軌道車輛地板即采用三明治鋁合金型材組合而成[3-4]。軌道車輛在高速運行過程中，地板內(nèi)表面易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋和疲勞腐蝕裂紋，采用無損檢測技術(shù)在地板外表面對其埋深裂紋進(jìn)行檢測時，由于受到三明治結(jié)構(gòu)型材加強筋的干擾，容易造成對缺陷的誤判以及漏檢，而且在設(shè)計過程中，為了保持車廂內(nèi)的安靜，在地板外表面涂有5 mm 厚吸聲阻尼漿[5]，苛刻的環(huán)境造成地板埋深缺陷的檢測非常困難；因此，在不去除阻尼漿的工況下，在役檢測軌道車輛地板埋深缺陷具有重要的工程應(yīng)用意義。

為高精度檢測軌道車輛地板埋深缺陷，需要定位加強筋位置以避免產(chǎn)生干擾信號，學(xué)者們開展了相關(guān)的研究工作。如田松亞等[6]利用超聲波探頭對波紋板折線焊縫進(jìn)行跟蹤定位，檢測誤差為-0.60～-0.04 mm；吳東翰等[7]采用常規(guī)渦流檢測方法進(jìn)行鋁板T 型接頭背面筋板定位檢測研究，研究結(jié)果表明該方法能夠?qū)? mm 厚鋁板背面加強筋進(jìn)行定位，定位精度可達(dá)到0.48 mm；鄒焱飚等[8]設(shè)計的一種能實時獲取焊縫輪廓三維數(shù)據(jù)的線激光檢測探頭，可對表面焊縫的位置進(jìn)行測量。針對帶涂層金屬板背面加強筋的定位檢測，上述方法因阻尼漿存在導(dǎo)致無法耦合且提離距離較大均無法實施檢測。

遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)（RFECT）憑借其不受集膚效應(yīng)限制，而且電磁場兩次穿透被檢試件，從而可檢測構(gòu)件的深層隱藏缺陷，傳統(tǒng)遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)主要應(yīng)用于鐵磁性管道的在役檢測[9-10]。近年來，平面遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)發(fā)展迅速，在各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[11]，W.Reimche 等[12]采用遠(yuǎn)場渦流對對接焊縫進(jìn)行了檢測，得到了深層裂紋缺陷的信號。楊賓峰等[13]將平面遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)應(yīng)用到飛機鉚接結(jié)構(gòu)件埋深缺陷的檢測，研究表明遠(yuǎn)場渦流可對15 mm 厚鉚接件中的缺陷進(jìn)行定位檢測。上述研究均取得了豐富的研究成果，推動了平面遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)在埋深缺陷檢測方面的應(yīng)用。

本研究通過ANSYS 仿真軟件，建立帶阻尼漿鋁合金地板加強筋遠(yuǎn)場渦流檢測定位模型，優(yōu)化遠(yuǎn)場渦流定位檢測的激勵頻率，研究不同寬度加強筋的檢測信號特征，提出帶阻尼漿地板加強筋中心位置檢測信號的識別方法，最后采用試驗驗證仿真分析的正確性。

1 檢測原理

平面遠(yuǎn)場渦流探頭主要由激勵/檢測線圈、聚磁結(jié)構(gòu)、屏蔽層等零件組成，與傳統(tǒng)遠(yuǎn)場渦流探頭激勵/檢測線圈同軸放置方式不同，平面遠(yuǎn)場渦流探頭采用異軸放置方式如圖1 所示。在對帶阻尼漿地板的加強筋進(jìn)行定位檢測時，激勵線圈產(chǎn)生交變磁場，由于5 mm 厚阻尼漿會嚴(yán)重衰減磁場強度，所以采用聚磁結(jié)構(gòu)能夠聚集并引導(dǎo)激勵磁場更多的滲入鋁板試件，達(dá)到檢測靈敏度要求。屏蔽層可有效阻礙直接耦合磁場到達(dá)檢測線圈而導(dǎo)致檢測信號幅值容易飽和。間接耦合磁場二次穿透地板試件因而攜帶地板內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，處于渦流遠(yuǎn)場區(qū)域的檢測線圈接收二次穿透鋁板試件的間接耦合磁場，磁場在檢測線圈內(nèi)部產(chǎn)生電壓信號，當(dāng)探頭經(jīng)過加強筋位置時，磁力線發(fā)生畸變，造成檢測信號幅值和相位產(chǎn)生波動，所以通過分析檢測信號幅值的變化，可有效定位鋁板下方加強筋的位置。定位掃查方式如圖2 所示。

圖1 平面遠(yuǎn)場渦流檢測原理Fig.1 Plane RFEC principle

圖2 探頭定位掃查方式Fig.2 Scanning method

遠(yuǎn)場渦流的控制方程可以根據(jù)Maxwell 方程組推導(dǎo)得出：

式中：A 為磁矢量勢， Js為電流密度，σ 為介電常數(shù)，μ 為磁導(dǎo)率。式（1）表示出電磁場以波的形式向周圍傳播，由于激勵模塊為柱狀結(jié)構(gòu)，所以將三維問題簡化為二維問題，可改寫為：

通過Faraday 電磁感應(yīng)定律計算，可得到檢測線圈的感應(yīng)電壓：

式中：N 為線圈匝數(shù)，A 為線圈截面積，r 為距離線圈的徑向距離。

檢測線圈感應(yīng)電壓即為所測電壓，通過ANSYS有限元仿真軟件計算可求出方程的解，因此，加強筋位置可通過電壓幅值的變化來表征出來。

2 仿真模型

2.1 模型建立

帶阻尼漿地板加強筋遠(yuǎn)場渦流定位檢測模型主要由鋁合金地板、遠(yuǎn)場渦流探頭、阻尼漿及空氣組成，模型剖面圖如圖3 所示。鋁合金地板試件長300 mm、寬150 mm、面板厚3 mm、加強筋高度為20 mm。阻尼漿均勻分布在鋁板上表面，厚度為5 mm。激勵/檢測線圈放置與阻尼漿表面，線圈軸線垂直于地板表面，探頭平行于加強筋放置，掃查方式如圖2 所示。激勵線圈壁厚1 mm，匝數(shù)600 匝，檢測線圈為矩型線圈，線圈壁厚1 mm，內(nèi)長4 mm，內(nèi)寬2 mm，匝數(shù)為800 匝，激勵電流為100 mA、激勵頻率為0.6 kHz，模型材料屬性參數(shù)見表1。

圖3 三維仿真模型圖Fig.3 D simulation model diagram

表1 材料屬性設(shè)置Table 1 Material properties and dimensions

2.2 激勵頻率優(yōu)化

遠(yuǎn)場渦流檢測激勵頻率對軌道車輛帶阻尼漿鋁合金地板的加強筋定位結(jié)果有重要影響，為優(yōu)化激勵頻率，設(shè)加強筋檢測信號幅值為 U、幅值相對變化量為 Urel，式中， Urel=(U0-U1)/U0， U0、U1分別表示有、無加強筋時的檢測電壓幅值，設(shè)加強筋寬度分別為5、10、15 mm，當(dāng)激勵頻率為0.1～1.0 kHz 時，探頭掃查通過加強筋的檢測結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同激勵頻率的遠(yuǎn)場渦流特性曲線圖Fig.4 RFEC characteristics of different frequencies

圖4 a 為不同激勵頻率下探頭掃查通過加強筋的遠(yuǎn)場渦流檢測信號幅值變化曲線，針對不同寬度的加強筋，檢測信號幅值 U在0.1～0.6 kHz 范圍內(nèi)呈上升趨勢，增加激勵頻率，5 mm 寬加強筋的檢測信號幅值上升速率趨于平緩且不會出現(xiàn)峰值；10 mm寬加強筋的檢測信號幅值在0.8 kHz時達(dá)到峰值4.74×10-5V，隨后緩慢下降；15 mm寬加強筋的檢測信號幅值在0.7 kHz 時達(dá)到峰值7.54×10-5V，隨后快速下降。分析可知，針對不同寬度的加強筋，激勵頻率大于0.6 kHz 時，檢測信號幅值變化規(guī)律不一致，不利于檢測結(jié)果的分析。分析圖4b 可知，當(dāng)激勵頻率為0.6 kHz 時，不同寬度加強筋的幅值相對變化量 Urel達(dá)到峰值，隨后 Urel處于快速下降狀態(tài)。綜上所述：當(dāng)激勵頻率為0.6 kHz 時，加強筋的檢測信號信噪比達(dá)到最大值，而且不同寬度加強筋的檢測信號幅值變化規(guī)律均處于上升趨勢；因此，選取0.6 kHz為最佳激勵頻率。

2.3 仿真試驗研究

在仿真模型中，激勵線圈為外徑D=10 mm 的圓柱形空芯線圈，設(shè)加強筋寬度為H，研究H＜D、H=D、H＞D 3 種情況下的檢測信號特征，設(shè)定激勵頻率為0.6 kHz，仿真計算得到不同寬度加強筋的檢測信號如圖5 所示。

圖5 檢測信號幅值Fig.5 Amplitude characteristic curve

由圖5 可知：當(dāng)H＜D 時，檢測信號幅值變化曲線出現(xiàn)2 個峰值，分別設(shè)2 點幅值為MAX1、MAX2，在掃查過程中，當(dāng)探頭位于加強筋正上方時檢測信號出現(xiàn)波谷MIN0，此時加強筋中心與激勵線圈中心重合（圖5a）；當(dāng)H=D 時，探頭靠近加強筋時檢測信號幅值迅速增加，當(dāng)激勵線圈的空芯區(qū)域進(jìn)入加強筋左端后幅值變化緩慢直至激勵線圈空芯區(qū)域離開加強筋右端，此時檢測信號波峰MAX1、MAX2與波谷MIN0之間的差值減小，當(dāng)探頭位于加強筋正上方時檢測信號出現(xiàn)波谷MIN0（圖5b）；當(dāng)H＞D 時，檢測信號兩側(cè)會出現(xiàn)“肩”的形狀，分別對應(yīng)激勵線圈空芯區(qū)域進(jìn)入加強筋左側(cè)和激勵線圈空芯區(qū)域離開加強筋右側(cè)，探頭掃查至加強筋正上方時檢測信號出現(xiàn)峰值MAX0（圖5c）。由上述分析可知，在對加強筋進(jìn)行定位檢測時，若檢測信號出現(xiàn)雙峰MAX1、MAX2，則2 個峰值之間的波谷MIN0所對應(yīng)的位置即為加強筋的中心位置，而且此時加強筋寬度H≤D；如果檢測信號出現(xiàn)單峰MAX0，則峰值位置即為加強筋的中心位置，而且H＞D。

3 試驗驗證

遠(yuǎn)場渦流試驗系統(tǒng)如圖6 所示，其中主要包括信號發(fā)生器、示波器、探頭、功率放大器、鎖相放大器、上位機和直流穩(wěn)壓電源，信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號經(jīng)功率放大器放大后加載至激勵線圈使其產(chǎn)生激勵磁場，磁場在地板試塊中產(chǎn)生遠(yuǎn)場渦流兩次穿透地板試件后被檢測線圈拾取，檢測信號通過鎖相放大器對其進(jìn)行高頻噪聲的濾除并產(chǎn)生兩路直流分量，經(jīng)處理后得到檢測信號的幅值、相位等信息，通過信號采集系統(tǒng)和上位機軟件完成對信息的采集和顯示。試驗所采用的試塊為面板厚度為3 mm，加強筋寬度為3 mm 的某型號軌道車輛帶阻尼漿地板試塊，地板試塊的截面如圖7所示，試驗過程中采用5 mm 厚非導(dǎo)電涂層代替阻尼漿。

圖6 遠(yuǎn)場渦流檢測系統(tǒng)Fig.6 Detection system

圖7 試塊實物圖Fig.7 Test plate

激勵頻率為0.1～1.0 kHz，頻率增加步距為0.1 kHz，遠(yuǎn)場渦流檢測探頭置于非導(dǎo)電涂層上，掃查通過地板的加強筋，檢測結(jié)果如圖8 所示，可知：激勵頻率在0.2～0.6 kHz 時，檢測信號幅值處于快速上升階段，隨后幅值增勢趨向平緩。激勵頻率為0.6 kHz 時，加強筋檢測信號如圖9 所示，可知，當(dāng)探頭中心與加強筋中心重合時，檢測信號幅值達(dá)到波谷MIN0，試驗檢測結(jié)果與仿真結(jié)果一致，試驗結(jié)果表明，利用平面遠(yuǎn)場渦流探頭可完成帶5 mm 厚阻尼漿鋁合金地加強筋的定位檢測。

4 結(jié)論

圖8 頻率與幅值的對應(yīng)關(guān)系Fig.8 Relationship between the frequency and the amplitude

圖9 檢測信號波形圖Fig.9 Waveform of detection signal

1）基于ANSYS 有限元仿真軟件建立仿真模型，優(yōu)化加強筋定位檢測激勵頻率，針對H＜D、H=D、H＞D 的3 種寬度加強筋進(jìn)行定位仿真計算。若檢測信號出現(xiàn)雙峰MAX1、MAX2，則2 個峰值之間的波谷MIN0所對應(yīng)的位置即為加強筋的中心位置，而且此時加強筋寬度H≤D；如果檢測信號出現(xiàn)單峰MAX0，則峰值位置即為加強筋的中心位置，且H＞D。

2）建立遠(yuǎn)場渦流檢測系統(tǒng)，開展激勵頻率優(yōu)化試驗和鋁合金地板加強筋定位檢測試驗，結(jié)果表明最佳激勵頻率為0.6 kHz、5 mm 厚非導(dǎo)電層下，該定位方法可完成3 mm 寬的鋁合金地板加強筋定位檢測，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

3）將平面遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)運用到帶阻尼漿鋁合金地板加強筋的定位檢測中，提出的加強筋信號識別方法為帶涂層金屬背面筋板定位檢測的研究提供技術(shù)參考。