基于磁致伸缩机理的电磁超声钢轨探伤仿真及优化研究

摘要

随着中国高速铁路运营里程和列车运行时间的大幅度增加，铁路钢轨超负荷、超期服役的现象越来越普遍，尤其对于生产过程中存在缺陷的钢轨来说，长期挤压和摩擦过程更容易导致安全隐患。由夹杂物造成的钢轨核伤属于钢轨重伤，对人们的生命财产造成严重威胁。电磁超声检测方法能够针对钢轨内部缺陷进行快速检测，该方法的优势在于无需耦合剂，环境适应性强。如何运用电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT)完成钢轨核伤的快速检测是一项重要且具有挑战的课题。
　　本文以EMAT系统对高速铁路的钢轨损伤检测为背景，对EMAT系统及其在钢轨无损检测中的应用进行研究。论文主要研究内容如下:
　　(1)在EMAT钢轨探伤的理论分析上，本文从场的概念对EMAT钢轨探伤系统进行划分;用磁矢势描述了电磁场变化规律，给出静磁场、交变磁场的本构方程;研究了铁磁性材料的非线性磁化特性、非线性磁致伸缩特性、磁致伸缩本构方程以及质点位移控制方程，为EMAT系统研究提供理论支持。
　　(2)基于换能器层次对多场耦合问题进行求解，深入剖析了所建立物理模型及其数学描述，将EMAT系统问题转化为对偏微分方程的求解问题。本文采用有限元方法求解非线性问题。通过COMSOL仿真软件的物理场开发器模拟了磁致伸缩物理场，在物理场接口中声明模型的自变量以及各个变量之间的关系，定义该物理场的域特征及边界特征，给出EMAT多场耦合的弱形式方程和约束条件。从方程角度实现磁致伸缩正逆耦合过程物理量的传递，运用迭代算法实现强耦合物理场仿真计算。
　　(3)定义了非线性磁性材料数据。设计了超声体波EMAT钢轨探伤仿真系统，实现超声波在钢轨内激发、传递、反射及接收过程。能满足并优于铁道部规定的用于超声波检测试验的通孔缺陷检测标准。仿真验证了EMAT适用对钢轨内部核伤的检测。
　　(4)从参数设计上优化EMAT换能效率，通过参数化仿真证实了增加静磁场强度、增加线圈间距、减小线圈的提离距离等设计能够提高电磁超声换能效率。弥补了通常人们依照经验设计EMAT系统参数的不足。
　　EMAT仿真结果表明，在磁致伸缩力的作用下钢板中的缺陷会出现应力集中现象，缺陷位置不同对接收信号有不同影响。本文结合电磁超声换能理论给出了系统结构优化方案并设计了EMAT信号采集实验环节，对工程实践具有一定的指导意义。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 课题研究目的和意义

1．1．1常见的钢轨损伤类型

1．1．2常用的钢轨探伤手段

1．2 电磁超声检测技术研究现状

1．3 电磁超声换能器研究现状

1．4本文主要研究内容

2 EMAT钢轨探伤机理

2．1 电磁超声换能机理

2．1．1洛伦兹力换能机理

2．1．2磁致伸缩力换能机理

2．2电磁超声系统组成

2．3超声波及其反射原理

2．3．1超声波的反射

2．4本章小结

3磁致伸缩机理的EMAT钢轨探伤理论分析

3．1钢轨磁致伸缩机理

3．1．1钢轨材料微观结构特点

3．1．2钢轨材料磁化特性

3．1．3钢轨材料磁致伸缩特性

3．2磁致伸缩机理的EMAT方程

3．2．1 EMAT钢轨探伤电磁场方程

3．2．2 EMAT钢轨探伤力学场与位移场方程

3．3本章小结

4磁致伸缩机理的EMAT钢轨探伤建模仿真

4．1 EMAT钢轨探伤多物理场分析

4．1．1 EMAT多场耦合有限元方法

4．1．2 EMAT多场耦合方程弱形式

4．1．3 COMSOL有限元仿真分析步骤

4．2 EMAT钢轨探伤仿真实现

4．2．1 COMSOL磁致伸缩耦合场的模拟与验证

4．2．2 EMAT静磁场的设计

4．2．3 EMAT激励信号的设计

4．2．4 EMAT激发端振动位移的变化

4．2．5 EMAT应力及接收电流的变化

4．3本章小结

5磁致伸缩机理的EMAT钢轨探伤系统优化

5．1 EMAT偏置磁场的优化

5．2 EMAT交变磁场的优化

5．2．1线圈匝数的优化

5．2．2线圈间距的优化

5．2．3线圈提离距离的优化

5．3本章小结

6磁致伸缩机理的EMAT信号采集实验

6．1 数据采集实验方案设计

6．2数据采集实验专用软件设计

6．3 本章小结

7．1 总结

7．2展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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