时谐电磁场半解析理论及其在硬度无损检测中的应用

摘要

该文以置于非均匀铁磁性半空间导体上的探头电磁系统为研究对象,从麦克斯韦方程出发,建立了时谐电磁场半解析理论,实现了精确快速连续铁磁材料硬度无损检测的技术目标.主要内容及创造性成果如下:1.提出了一定面积平均硬度的概念,将铁磁导体的微观结构与硬度及其电磁特性相结合,寻求电导率和磁导率与阻抗之间关系,为电磁硬度无损检测理论提供了新的研究方向.2.通过麦克斯韦方程组,推导出半无限平板导体空间电磁场体积分方程,将各向异性半无限平板导体的麦克斯韦方程转化为谱域形式,利用模匹配法和电磁场谱域边界条件,给出电-电型、磁-磁型、磁-电型和电-磁型自由空间及反射空间的谱域格林函数,为时谐电磁场半解析法的实现提供了理论基础.3.根据谱域格林函数及给出的铁心磁化模型和谱域激励函数,建立了带铁心绝对和差动探头的通用三维电磁场电压和阻抗数学模型,数值求解了电磁场复系数代数方程.4.利用半解析方法建立的电磁场数学模型,以信号最强为目标函数,完成了用于铁磁材料硬度电磁检测系统设计参数的优化,包括激励频率、探头参数等,为电磁无损检测装置设计提供了工程指导,可实现电磁装置的计算机辅助设计.5.针对阻抗与硬度之间的多值对应关系问题,通过分析含碳量和提离效应等干扰因素在阻抗平面上的响应,提出了利用无限提离相位角之间较大差异进行组织分选方法,并利用零提离阻抗幅值变化实现铁磁材料硬度定量检测.6.通过阻抗平面坐标变换技术,建立了抑制提离效应的干扰模型,完善了电磁阻抗平面法,进而提高了硬度检测精度,为精确快速连续铁磁材料硬度无损检测的技术应用提供了支持.同时研发了淬火钢轨踏面硬度电磁无损检测仪器,检测硬度值满足工业上±1 HRC精度技术指标.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1电磁场解析与数值理论发展

1.1.1研究现状

1.1.2研究方向

1.1.3电磁场半解析法的研究现状

1.2电磁理论应用于无损检测

1.2.1电磁技术的应用及前景

1.2.2电磁场逆问题的研究现状

1.2.3电磁无损检测研究现状

1.2.4电磁无损检测研究方向

1.3电磁硬度无损检测

1.3.1电磁硬度无损检测的发展和研究现状

1.3.2硬度检测的难点

1.4研究内容的确定

1.4.1问题的实际背景

1.4.2研究模型的确定

1.4.3研究内容和方法

1.5论文结构

1.6小结

第二章铁磁材料硬度与电磁特性

2.1无损检测中的平均硬度

2.1.1金属硬度定义及测试方法

2.1.2电磁法与压痕式硬度测试法的比对

2.1.3无损检测中的平均硬度

2.2铁磁材料硬度与电磁特性

2.2.1硬度与电磁特性

2.2.2电磁无损检测铁磁材料硬度的机理

2.2.3电磁硬度检测中的几个关键问题

2.3时谐激励下的磁导率

2.4小结

第三章半无限平板导体谱域格林函数

3.1麦克斯韦方程组并矢形式

3.1.1并矢函数的定义及计算

3.1.2麦克斯韦方程组的并矢形式

3.1.3电型和磁型并矢格林函数

3.2边界条件的并矢形式

3.2.1边界条件的并矢形式

3.2.2自由空间并矢格林函数

3.2.3半无限平板导体的并矢格林函数

3.3并矢格林函数的二维傅里叶变换

3.3.1矢量波函数

3.3.2并矢格林函数的二维傅里叶变换

3.4半无限平板导体并矢格林函数谱域分析

3.4.1电和磁各向异性体的Maxwell方程组

3.4.2边界条件

3.4.3电型和磁型并矢格林函数

3.4.4半无限平板导体空间谱域并矢格林函数

3.5小结

第四章探头的电压和阻抗

4.1体积分方法

4.2带铁心探头模型

4.2.1磁化积分方程

4.2.2积分方程离散化

4.3电场的计算模型

4.3.1线圈电流密度的极坐标傅里叶变换

4.3.2铁心内的入射场

4.3.3电场计算模型

4.4绝对式探头的阻抗

4.5差动式检测线圈的阻抗和电压

4.6小结

第五章电磁场数值计算及装置优化设计

5.1电磁场数值计算

5.1.1含有贝塞尔函数积分方程的求解

5.1.2复数线性方程组的求解

5.1.3线圈阻抗增量算例

5.2激励频率选取

5.2.1激励频率与阻抗值和渗透深度

5.2.2结果分析与结论

5.3电导率和磁导率与阻抗

5.3.1电导率、磁导率与阻抗

5.3.2分析与结论

5.4探头参数优化设计

5.4.1几何参数优化模型

5.4.2算例

5.4.3试验结果及分析

5.5小结

第六章硬度检测模型与试验分析

6.1提离效应的影响和抑制

6.1.1提离效应对阻抗的影响

6.1.2提离效应的抑制

6.1.3阻抗坐标变换实例

6.1.4提离测试实例

6.2硬度检测模型

6.2.1硬度信号提取中几个关键问题的解决

6.2.2硬度模型的建立

6.2.3钢轨踏面硬度检测系统

6.2.4硬度建模实例

6.3试验方案及结果评价

6.3.1试验材料

6.3.2试验方法

6.3.3硬度检测系统不确定度评价

6.4试验实例

6.4.1实例一：电磁硬度检测值与洛氏值比对

6.4.2实例二：U74淬火钢轨硬度检测结果与信号值

6.4.3实例三：异常硬度U74淬火钢轨纵向硬度检测

6.4.4实例四：剥离U74在役淬火钢轨硬度检测

6.5小结

第七章结论

附录Ⅰ：磁矢位法求解差动空心探头阻抗

I.1矢量磁位方程

I.2通电圆环线圈的矢量磁位

I.2.1求解模型

I.2.2通电圆环线圈的矢量磁位

I.2.3矢量磁位的边值问题

I.2.4方程的通解

I.2.5矢量磁位表达式

I.3通电空心圆柱线圈的矢量磁位

I.4放置式空心圆柱检测线圈阻抗模型

参考文献

致谢

博士期间发表的论文