導(dǎo)語(yǔ)

省部共建電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（河北工業(yè)大學(xué)）的研究人員劉素貞、王淑娟、張闖、金亮、楊慶新，在2020年第1期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文（論文標(biāo)題為“鋼板電磁超聲表面波的仿真分析及缺陷定量檢測(cè)”），針對(duì)鐵磁性材料在電磁超聲檢測(cè)中存在磁致伸縮非線(xiàn)性及電磁超聲換能機(jī)制與被檢測(cè)材料具有相關(guān)性的問(wèn)題，本課題組依據(jù)鐵磁材料的本構(gòu)方程，優(yōu)化了關(guān)于鐵磁材料的電磁超聲仿真模型，對(duì)不同的鋼板標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行電磁超聲檢測(cè)研究，并應(yīng)用于鋼板缺陷深度的定量檢測(cè)。

研究背景

鋼材廣泛應(yīng)用于航空航天、高鐵制造、鐵路軌道、機(jī)械加工等領(lǐng)域。由于鋼板在制造過(guò)程中，原材料、制造設(shè)備、加工工藝等多因素造成金屬內(nèi)部產(chǎn)生裂紋、分層、夾渣、腐蝕等各種缺陷。這些缺陷的存在會(huì)使鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命、強(qiáng)度、以及穩(wěn)定性能急劇下降。因此鋼板缺陷的檢測(cè)和準(zhǔn)確評(píng)估對(duì)提高設(shè)備的質(zhì)量和可靠性具有重要意義。

論文所解決的問(wèn)題及意義

電磁超聲換能器（EMAT）的換能機(jī)制與被測(cè)試材料的電磁特性密切相關(guān)，EMAT對(duì)不同電磁特性材料的響應(yīng)不同。鐵磁材料具有磁致伸縮效應(yīng)，磁致伸縮的非線(xiàn)性導(dǎo)致其電磁超聲換能機(jī)制變得復(fù)雜。

依據(jù)鐵磁材料的本構(gòu)方程，考慮洛倫茲力、磁致伸縮效應(yīng)和磁化力的共同作用，建立了含有矩形槽裂紋鋼板的電磁超聲換能器有限元模型，仿真分析了表面波對(duì)鋼板中缺陷的響應(yīng)特性，得出缺陷深度與反射系數(shù)、透射系數(shù)的關(guān)系，為鋼板裂紋缺陷定量檢測(cè)奠定基礎(chǔ)。

同時(shí)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試件的不同深度裂紋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了仿真分析的正確性和有效性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼板裂紋深度的電磁超聲定量檢測(cè)。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

鐵磁材料電磁超聲換能器（EMAT）的換能機(jī)制與外加磁場(chǎng)、材料的磁化特性和磁致伸縮特性有密切的關(guān)系，電磁超聲波的產(chǎn)生很大程度上取決于材料的電磁特性和偏置磁場(chǎng)。

本課題研究了材料磁化特性對(duì)電磁超聲換能機(jī)制的影響，準(zhǔn)確分析了磁致伸縮效應(yīng)，從而利用有限元軟件COMSOL建立更加完整的多場(chǎng)耦合的電磁超聲換能器鋼板缺陷檢測(cè)模型。

圖1 鋼板中電磁超聲表面波仿真模型

圖2 鋼的磁化曲線(xiàn)

結(jié)論

依據(jù)鐵磁材料的電磁特性以及本構(gòu)方程對(duì)鋼板電磁超聲表面波換能器的換能機(jī)制進(jìn)行了解耦和量化。通過(guò)有限元建模和仿真分析，研究了鋼板上磁感應(yīng)強(qiáng)度和渦流密度的分布規(guī)律以及表面波的傳播特性，并得到了鋼板缺陷深度與波長(zhǎng)之比和反射系數(shù)之間的關(guān)系。最后對(duì)標(biāo)準(zhǔn)裂紋試塊進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明通過(guò)反射系數(shù)能夠定量檢測(cè)鋼板裂紋縱向深度，為鐵磁材料的缺陷定量檢測(cè)奠定基礎(chǔ)。

團(tuán)隊(duì)介紹

劉素貞，博士，教授，博士生導(dǎo)師。天津市師德先進(jìn)個(gè)人，國(guó)際電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算學(xué)會(huì)(ICS)會(huì)員。主要從事工程電磁場(chǎng)與磁技術(shù)及應(yīng)用研究。主持或主研國(guó)家重大基礎(chǔ)研究前期研究專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、河北省自然科學(xué)基金、天津市自然科學(xué)基金等國(guó)家級(jí)、省部級(jí)項(xiàng)目15項(xiàng)。出版專(zhuān)著2部；發(fā)表學(xué)術(shù)論文70多篇，其中被SCI、EI收錄60多篇。