电磁超声无损检测数值模拟方法及在TBC检测上的应用研究-硕士毕业论文

摘 要硕士学位论文电磁超声无损检测的数值模拟方法及在TBC检测上的应用研究申请人：学科专业：力学指导教师： 教授 年 月论文题目：电磁超声无损检测数值模拟方法及在TBC检测上的应用研究学科专业：力学申请人：指导教师： 教授摘 要电磁超声（EMA：Electromagnetic Acoustic）与传统压电超声同属于超声范畴。与传统的压电超声相比，电磁超声无损检测技术由于无需媒介及与被测物体接触，具有可灵活产生各类波形，对检测工件表面质量要求不高和检测速度快等特点，不但可提高检测效率，而且可将超声无损检测技术的应用扩展到高温、高速和在线检测。然而由于电磁超声检测技术本身的复杂性，对其研究还有待进一步深入，限制了其进一步大范围应用。目前，对电磁超声的研究主要是采用试验研究和数值模拟的方法，而通过数值模拟技术，不仅可以更好的理解电磁超声产生的机理及其特性，更易发现新问题，为探头的优化设计和缺陷的定量分析提供指导，还能为相关新技术应用的可行性研究提供理论依据。本论文主要通过数值模拟的方法对电磁超声检测技术进行研究，并将电磁超声技术扩展到热障涂层（TBC）的无损检测中。主要内容是基于电磁场理论和波动方程，建立了一套电磁超声无损检测数值模拟计算方法，并开发相应的数值模拟程序；在此基础上，建立了一种基于电磁超声技术的热障涂层系统局部界面裂纹的无损检测方法，并用所开发的数值模拟程序初步验证了该方法的有效性。具体包括：（1）建立了基于有限元理论的超声波数值模拟方法，同时为了降低计算过程中的计算量和存储量，提出了一种针对超声波有限元数值模拟的时域显式积分算法。通过理论分析和实际算例，证实了本文所提出的显式积分算法与传统有限元超声波数值模拟时域积分算法相比不但具有较高的计算精度，还能大幅度降低超声波数值模拟中所需的计算机资源。基于以上数值模拟方法和算法，利用Fortran语言自主开发了超声波检测二维和三维数值模拟程序，并通过理论分析和实验初步验证了程序的可靠性。（2）推导了基于等效磁荷法永磁体磁场分布计算公式，根据公式分别计算了两种常见永磁体的磁场分布，并通过与已有结果进行比较，验证了该方法的可靠性和实用性。（3）结合前面的工作和已有的Ar法瞬态涡流场计算程序，建立了基于有限元理论的电磁超声无损检测数值模拟方法，利用Fortran语言开发了相应的数值模拟程序，并通过理论分析，对该数值模拟方法和程序的可靠性进行了初步验证。（4）将电磁超声无损检测技术应用到TBC热障涂层的检测，提出了一种针对热障涂层界面微裂纹的电磁超声无损检测方法，并通过数值模拟初步证明了该方法可以提供一种检测1 mm以上TBC界面微裂纹的手段。对于实际的热障涂层中的微小界面裂纹检测，这种基于电磁超声技术的无损检测方法具有很好的研究和应用前景。关 键 词：电磁超声；无损检测；热障涂层；有限元法；数值模拟论文类型：应用基础83ABSTRACTTitle: Studies of the Numerical Simulation Method for EMAT and Applications to Nondestructive Inspection of TBCSpeciality:MechanicsApplicant:Cuixiang PeiSupervisor:Prof. Zhenmao ChenABSTRACTBoth electromagnetic acoustic testing (EMAT) and traditional piezoelectric ultrasonic testing belong to the category of ultrasonic nondestructive testing technology. As no physical contact is necessary between transducer and test-piece, various wave patterns can be generated, surface quality demand of the test-piece is not high, and detection speed is fast, the EMAT can not only improve the inspection efficiency but also can extend the application area of UT to the fields of high temperature, high speed and on-line inspection. However, due to the complicity of EMAT technique itself, there are still several problems for its continuous development. At present, the studies on the EMAT are mainly by means of experimental research and numerical simulation method. The numerical simulation technique can not only help to have a better understand on the producing mechanism and properties of the EMA, find some new problems more easily, provide a useful tool for the transducers optimization design the defects sizing analysis, but also provide theoretical basis for the feasibility study of the application of associated new techniques.The studies on the EMAT technique were mainly by means of numerical simulation method, and the application of EMAT was extended to the detection of thermal barrier coatings (TBC) in this thesis. A finite element method (FEM) for the numerical simulation of EMAT signals was established and the corresponding numerical code was developed independently. Finally, as an application, the feasibility of a newly proposed EMAT type transducer is evaluated by using the new code for detecting macro delaminating defect in TBC. The main research works are presented as follows:1) A finite element method for numerical simulation of ultrasonic testing signal is established. Meanwhile, To improve the neck point of FEM for UT simulation, i.e., the great computational burden, a new explicit integration algorithm of time domain is introduced, which can reduce the data operand and memory consumpsion significantly. Through theoretical analysis and numerical calculation, it can be found that the new explicit integration algorithm has a high precision and can satisfy the engineering calculation needs. At last, a 2-dimentional and a 3-dimentional code for the simulation of ultrasonic testing were developed based on the proposed numerical method and integration scheme, and the feasibility of the numerical method and developed codes was verified by comparing the calculation results with the theoretical and experimental ones. 2) The calculation formulas for the magnetic field distribution of permanent magnets was deduced based on the equivalent magnetic charge approach. According to the formulas, the magnetic field distribution of two typical magnets was calculated, By comparing to the previous known results, the validity of the formulas was verified.3) A finite element method for numerical simulation of EMAT was established based on the works above and using an ECT code of Ar method, and the corresponding codes were developed with FORTRAN language. The feasibility of the simulation method and developed numerical codes was verified by comparing the calculation results with theoretical results.4) To extend the application of EMAT to the detection of TBC, a new transducer of EMAT for detecting macro delamination defect in TBC is proposed and evaluated with the developed numerical code. It was preliminarily conformed that the new method can be used to detect a delamination defect as small as 1 mm long in TBC. It reveals that this EMAT based method for TBC inspection has a broad prospect of further research and application.KEY WORDS: Electromagnetic Acoustic Testing; Nondestructive Evaluation; Thermal Barrier Coatings; FEM; Numerical Simulation MethodTYPE OF THESIS: Application Fundamentals*This study is supported by National 973 Projects (No.2006CB601206, 2007CB707702), National Natural Science Fundation of China (No.50677049) and Ministry of Education New Century Talent Project.目 录绪论目 录1 绪论11.1 背景11.1.1 无损检测方法概述11.1.2 超声波无损检测技术概述11.1.3 电磁超声无损检测技术概述21.1.4 热障涂层（TBC）系统简介及其失效形式41.2 电磁超声在国内外的发展51.3 热障涂层的检测及其研究现状51.4 本论文研究目标61.5 本论文主要内容62 电磁超声无损检测的基本理论方法72.1 超声波的基本理论72.1.1 超声波简介72.1.2 超声波的波形72.2 电磁超声无损检测原理92.3 涡流场计算中的棱边有限元和Ar方法92.3.1 基本微分控制方程102.3.2 基于Ar方法的棱边元控制方程112.4 本章小结163 各向同性介质超声波的数值模拟173.1 基于有限差分的超声波数值模拟173.1.1 基本微分控制方程173.1.2 建立控制方程的离散差分形式183.1.3 基于有限差分的超声波检测的数值模拟及验证213.2 超声波的有限元数值模拟方法223.2.1 二维超声波的有限元数值模拟方法223.2.2 三维超声波的有限元数值模拟方法283.3 一种新的基于有限元的超声波数值模拟时域积分算法323.3.1 传统隐式积分算法323.3.2 传统显式积分算法333.3.3 一种新的显式积分算法343.3.4 几种时域积分算法的计算精度实例比较363.4 超声波无损检测有限元数值模拟实例及验证373.4.1 超声无损检测二维有限元数值模拟373.4.2 超声波的三维有限元数值模拟及实验验证453.5 本章小结474 电磁超声的数值模拟484.1 基于等效磁荷法的静态磁场的计算484.1.1 等效磁荷法的建立484.1.2 矩形永磁体的磁场计算494.1.3 U型永磁体的磁场计算514.1.4 永磁体的磁场计算实例及验证534.2 脉冲涡流场和洛仑兹力的计算544.2.1 迭代公式的建立544.2.2 数值模拟实例554.3 洛仑兹力作用下电磁超声的数值模拟574.3.1 电磁超声数值模拟计算公式的建立574.3.2 电磁超声数值模拟程序的开发584.3.3 电磁超声数值模拟计算实例及验证594.4 本章小结615 电磁超声技术在TBC检测上的应用625.1 TBC电磁超声检测初步方案及原理625.2 TBC电磁超声检测数值模拟应用实例635.2.1 数值计算模型的建立635.2.2 数值模拟结果645.3 TBC电磁超声检测的进一步研究665.4 小结696 总结与展望706.1 主要工作和结论706.2 研究工作展望71参考文献72致 谢74攻读学位期间取得的研究成果75声明CONTENTSCONTENTS1 Introduction1 1.1 Background1 1.1.1 Introduction of NDT Technology1 1.1.2 Introduction of UT Technology1 1.1.3 Introduction of EMAT Technique2 1.1.4 Introduction of TBC System and the Coating Failure4 1.2 Development of EMAT in Worldwide5 1.3 Research Status of TBC Inspection51.4 Objectives61.5 Main Works 62 Basic Theories and Methods of EMAT7 2.1 Basic Theories of Ultrasonic Waves7 2.1.1 Introduction of Ultrasonic Waves7 2.1.2 Waveforms of Ultrasonic Waves7 2.2 Basic Principles of EMAT9 2.3 FEM and Ar Method in Numerical Simulation of Eddy Current9 2.3.1 Basic Governing Equations10 2.3.2 Establishing FEM Equations Based on Ar Method11 2.4 Summary163 Numerical Simulation of UT17 3.1 Numerical Simulation for UT based on FDM17 3.1.1 Basic Differential Control Equations17 3.1.2 Discrete Control Equations of FDM18 3.1.3 Numerical Results21 3.2 FEM Numerical Simulation for UT22 3.2.1 Two-dimensional FEM Simulation Method for UT22 3.2.2 Three-dimensional FEM Simulation Method for UT28 3.3 A New Time Domain Integral Algorithm for UT Simulation 32 3.3.1 Traditional Implicit Integration Algorithm32 3.3.2 Traditional Progressive Integration Algorithm33 3.3.3 The New Progressive Integration Algorithm34 3.3.4 Precision Comparison between Different Integration Algotithm36 3.4 Validation of the Numerical Simulation Method and Codes37 3.4.1 2-Dimentional Numerical Simulation37 3.4.2 3-Dimentional Simulation and Experimental Validation45 3.4 Summary474 Numerical Simulation for EMAT48 4.1 Formulation of Magnetic Field with Equivalent Magnetic Charge Method48 4.1.1 Equivalent Magnetic Charge Model49 4.1.2 Calculation of Magnetic Field of a Rectangular Permanent Magnet49 4.1.3 Calculation of Magnetic Field of a U-Shaped Permanent Magnet51 4.1.4 Validations53 4.2 Calculation of Pulsed EC Field and Lorentz Force54 4.2.1 Estabilishment of Iterative Formula54 4.2.2 Examples of Numerical Simulation55 4.3 Numerical Simulation of EMA57 4.3.1 Numerical Simulation Formula of EMA57 4.3.2 Development of Numerical Simulation Codes58 4.3.3 Validations59 4.4 Summary615 The Application of EMAT in TBC Inspection62 5.1 A EMAT based New Transducer for TBC Inspection62 5.2 A Numerical Example of TBC Inspection Testing with the new Transducer63 5.2.1 Numerical Model63 5.2.2 Numerical Results64 5.3 Further Study for TBC Inspection with EMAT66 5.4 Summary696 Conclusions and Prospects70 6.1 Conclusions70 6.2 Prospects71References72Acknowledgements74Achievements75Declaration4 电磁超声的数值模拟1 绪论1.1 背景1.1.1 无损检测方法概述无损检测又可以称为非破坏检测（NDT Nondestructive Testing），它是一种在不损伤被检测试件情况下，对材料表面和内部的物理性能、状态特性、宏观或亚微观缺陷进行检测和评价的技术。现代工业技术的发展对产品和设备的质量、可靠性及安全性提出了越来越高的要求，对无损检测技术的发展也提出了更高的要求。尽管无损检测技术并非一种生产技术，但其技术水平却能反映该部门、该行业甚至该国家的工业技术水平1。目前，常规的无损检测方法通常被划分为6大类，即：目视法、液体浸透探伤法、磁粉检查探伤、射线法、涡流探伤法、声波辐射法和超声波法。其中目视法（TV Visual Testing）是一种通过肉眼或借助一些简单的工具，如放大镜，来检测一些比较明显的表面缺陷，如焊点及元件的质量好坏；液体浸透探伤法（PT Liquid Penetrant Testing）是一种通过红色的染色浸透液或黄绿色莹光浸透液从表面的损伤处渗出，来指示损伤的方法；磁粉检查探伤法（MT Magnetic Particle Testing）是利用铁磁性材料的表面或近表面的损伤会改变磁力线的分布情况，从而显现出这些损伤来；射线透过试验法（RT Radio Graphic Testing）是利用胶片捕捉穿透过物体材料的放射线，如X射线、射线等，来检测物体内部缺陷的方法；涡流探伤法（ECT Eddy Current Testing）是通过测量导体材料中的缺陷使感应的涡流产生畸变来检测导体材料表面或近表面的缺陷；声波辐射法（AE Acoustic Emission Testing）是一种通过测量材料中由于损伤的生长、腐蚀等原因产生的噪声，来检测结构中的损伤的方法；超声波法（UT Ultrasonic Testing）是利用材料中缺陷和界面对超声波的反射、衍射以及透射的方法来检测材料和工件的内部缺陷3。1.1.2 超声波无损检测技术概述与其它几种无损检测方法相比，超声波无损检测技术具有被测对象范围宽，检测深度大，缺陷定位准确，成本低，使用方便，速度快，对人体无害以及便于现场使用等特点，此外，随着近年微电子学和计算机技术的发展，以及信号处理和成像技术的普遍采用，超声检测方法的可靠性愈来愈高，超声检测目前已成为采用最为普遍的无损检测技术2。目前，超声检测根据发射和接收的机理不同，大致可分为：压电超声（传统的超声检测方法）、电磁超声和激光超声3336。其中压电超声是最早被应用，也是现今运用最为广泛的一种超声检测方法。电磁超声和激光超声是近年来发展起来的新的超声波无损检测技术，与传统压电超声相比，它们在检测过程中不需要耦合剂，特别是电磁超声技术的出现将超声波的检测扩展到高温、高速和在线检测领域。因此，近年来对于电磁超声无损检测技术的研究越来越受到人们青睐。1.1.3 电磁超声无损检测技术概述电磁超声（EMA Electromagnetic Acoustic）与传统压电超声同属于超声范畴。EMA技术出现于20世纪60年代，它的出现将超声波检测的应用扩展到高温、高速和在线检测领域。与传统的压电超声相比，其本质区别就在于换能器的不同，传统压电超声换能器是靠压电晶片的压电效应发射和接收超身波，其能量转换是在晶片上进行的。而EMAT（电磁超声探头）则是靠电磁效应发射和接收超声波的。其能量转换则是在被测工件表面的趋肤层内直接进行的。图1-1是两种检测方式的比较。当金属表面有一通以交变电流的线圈时, 此线圈将产生一交变电磁场, 金属表面相当于一个整体导电回路,因此金属表面将感应出电流, 即涡流。涡流在静态磁场的作用下，在导体内产生洛仑兹力（对于铁磁性材料还要考虑磁滞绅缩效应），而金属介质在交变应力的作用下将产生应力波, 频率在超声波范围内的应力波即为超声波。与此相反, 由于此效应呈现可逆性, 返回声压使质点的振动在磁场作用下也会使涡流线圈两端的电压发生变化, 因此可以通过接收装置进行接收并放大显示。我们把用这种方法激发和接收的超声波称为电磁超声。在这种方法中,换能器已不单单是通用交变电流的涡流线圈以及外部固定磁场的组合体,金属表面也是换能器的一个重要组成部分,电和声的转换是靠金属表面来完成的。电磁超声只能在导电介质上产生, 因此电磁超声只能在导电介质上获得应用39。图1-1 压电超声和电磁超声比较1）电磁超声无损检测技术的特点根据电磁超声的基本原理及特性，EMA技术较之传统压电超声技术具有明显的优势以及一系列压电超声所不具备的特点：(1) 无需任何耦合剂EMAT的能量转换是靠电磁效应在工件表面直接进行，因此在超声换能器与工件之间无需耦合剂。这对于检测高温，运动以及那些不能与水或者油接触的物体具有非常重要的作用。(2) 可以灵活的产生各类波形 EMAT在检测过程中，在满足一定激发条件时，通过改变电信号的大小便可以改变发射声波的辐射强度，通过改变电信号的频率便可以产生不同辐射角的声束。因此使用EMAT可以在不变更换能器的情况下，实现波模式的自由选择。 (3) 对被检测工件表面质量要求不高 EMAT不需要检测探头与被检测材料接触，就可向其发射和接收超声波。因此对被检测工件表面不要求特殊的处理，即使是较粗糙的表面也可直接进行检测。 (4) 检测速度快，可进行在线检测由于EMAT无需与被检测物体接触，具有比传统压电超声检测更快的检测速度，因此可运用于在线检测，大大提高检测的效率。 (5) 强大的检测能力 对自然缺陷（如裂纹、剥落、掉块等）具有更高的检测灵敏度，大大提高了探伤的可靠性；2）电磁超声的应用(1) 金属探伤 金属探伤是无损检测领域中一个重要组成部分40。电磁超声技术通过观察缺陷的回波与物体底面的回波来确定物体中缺陷的位置和大小。通过在被测物体(导体) 中激发超声波，此超声波就在被测物体中传播,当遇到声阻抗不同的物体时发生反射,利用涡流线圈来接收这个反射波,通过计量此超声波在物体中的传播时间,就可以计算出被测物体的厚度值及缺陷所在位置。(2) 高温、高压管道壁厚的在线测量由于超声波的产生不受被测物体温度的影响,因此电磁超声技术广泛应用于高温、高压管道的测量。(3) 无缝钢管的检测在冶金工业中无缝钢管是由钢锭控制成形的,因此钢管壁厚的均匀程度是评定钢管质量的重要指标。传统的检测方法是利用尺规测量钢管的头尾尺寸,因无法得知中间部分的数据,所以无法有效控制产品的质量。应用电磁超声技术,通过测量钢管上不同位置的壁厚,得知其壁厚的均匀程度,从而为控制产品质量提供了一种可靠的检测手段。(4) 热障涂层的检测由于电磁超声与传统压电超声相比可灵活产生各类波形，特别是可方便产生适合于检测近表面缺陷的表面波，对自然缺陷（如裂纹、剥落、掉快等）的检测具有更高的灵敏度，因此将电磁超声运用到热障涂层的无损检测将是一个非常有意义的研究方向。 电磁超声技术在无损检测领域中起步较晚,但发展却非常迅速。它的出现改变了过去高温被测物体无法在线测量的状况。它的优势已被人们充分认识,并将在生产、生活中发挥着重要作用1.1.4 热障涂层（TBC）系统简介及其失效形式热障涂层材料系统（Thermal Barrier Coatings, TBC）是一种覆盖于工业燃气轮机及航空发动机叶片高温合金表面，用于降低叶片的工作温度，防止叶片发生高温腐蚀的多层结构体系41。 它一般由具有一定厚度和耐久性的绝热陶瓷涂层和承受机械载荷的合金基底组成，陶瓷涂层的主要功能是在高温载荷下，形成沿涂层厚度的高温度梯度，减弱向基底的传热，在热周期载荷环境下，涂层与基底可以存在一定温度差，使合金基底工作温度降低，提高材料抗热疲劳损伤和蠕变失效的耐久性。热障涂层材料系统由4个材料基元构成（图1-2）。即陶瓷层、超合金基底、基底与涂层间含铝元素的过渡层（bond coat, BC）以及在陶瓷涂层与过渡层之间形成的以氧化铝为主要物质成分的热生长氧化层（thermally grown oxide, TGO）。陶瓷涂层是隔热材料；过渡层上的热生长氧化层是过渡层中活性物质与氧元素化学反应的产物，对基底起抗高温氧化防护作用；超合金基底主要承受机械载荷作用41。图1-2热障涂层材料系统结构在燃起轮机运行过程中由于受到热和机械载荷的作用，热障涂层常发生裂纹和剥离等现象，通常裂纹开始于陶瓷层和结合层的界面处，这主要是由于涂层和基体热膨胀系数的不匹配所产生的热应力、结合层的高温氧化所导致的氧化物生长应力、陶瓷表层相变所产生的相变应力和陶瓷表层烧结所产生的应力所引起的。对于热障涂层而言，一般认为有三种裂纹方式（图1-3）：（1）在涂层中的垂直裂纹；（2）在陶瓷层和结合层的水平裂纹；（3）在界面处的剪切剥离。剥离过程为在涂层中首先出现垂直裂纹，然后纵向裂纹出现，最后剥离。在陶瓷层中的垂直裂纹可能增加涂层的应变容限，因此，垂直裂纹不会导致陶瓷层的剥离，但陶瓷层和结合层之间出现的裂纹会导致陶瓷层的剥离，应尽量避免其出现。因此，为了防止在实际应用过程中热障涂层系统失效以及由此而引发的安全事故，对热障涂层系统内的局部微小界面裂纹或剥离进行监测是非常必要的。图1-3 TBC常见裂纹及其失效形式1.2 电磁超声在国内外的发展无损检测技术的发展已历经一个世纪，其重要性在全世界已得到公认。作为无损检测技术的一支新军，EMA技术也越来越受到人们的青睐，它代表了超声检测的发展方向(无耦合)，这一点在2000年第15届世界无损检测会议上得到了充分肯定。EMA技术在国际上是从60年代末开始崛起的，70年代中后期开始迅速发展，英、美、俄、德、日都相继进行了声波的EMA理论与实验，从而大大扩展了EMA技术革新的应用范围，70年代末西德Hosch钢厂研制出高分辨率的用于中厚板内部探伤及螺旋弹簧内部探伤的仪器设备，与此同时德国无损检测研究所也成功地研制并转产了火车轮动态EMA探伤装置。而80年代初，英国、日本也先后研制成功了高温EMA探伤及测厚装置，进人21世纪，经过了近50年的不懈努力，EMA技术已逐步进人了工业应用阶段。其应用领域从最初的中厚板、火车轮检测及高温测厚，发展到焊缝检测、钢棒检测、钢管检测、铁路钢轨检测、复合材料检测等众多领域。我国EMA技术的研究，始于70年代。主要代表是冶金钢铁研究总院张广纯教授等，经过30几年的深人研究与不断完善，从理论研究的水平看，与国际的EMA技术研究基本同步，而在实际应用方面的某些领域，与国外尚存在一定差距39。目前对EMA的研究最主要部分集中在EMAT的设计和优化、以及数值分析和信号处理技术上。用数值模拟的方法可以模拟EMAT不同的工作模式，并研究其特性，这对设计研究EMAT装置的试验具有指导意义，可以大大减少试验的盲目性和工作量。利用数值模拟技术还可以研究电磁超声与不同种类的缺陷的相互作用，主要包括超声波在界面的反射和折射以及对换能器最终接收到的信号的影响。因此通过准确的建模和数值模拟，有利于加强对EMA的认识以及探讨电磁超声在无损检测中的实际应用45。 1.3 热障涂层的检测及其研究现状在燃汽轮机运行过程中，为了防止涂层发生剥落而引发的安全事故，对涂层的状态（特别是陶瓷层与结合层之间出现的裂纹及剥离）进行检测是非常必要的。而现有超声、激光超声-表面声发射、振动等方法对热障涂层检测的研究。主要应用于涂层的材料特性、厚度、界面整体状态的检测。对于局部的界面裂纹（剥离）等，尚未有完善的无损检测方法，特别是裂纹的定量是空白。由于电磁超声具有优良的检测性能，并且在针对TBC的检测具有特殊的优势，因此将电磁超声技术应用到热障涂层的检测是一个非常有意义的研究课题。1.4 本论文研究目标基于电磁超声的基本原理，建立一套电磁超声无损检测数值模拟计算方法，具体包括基于等效磁荷法的静态磁场的计算方法，克服传统基于有限元的超声波的数值模拟计算方法所需计算量和存储量大的缺点，建立一种高效的基于有限元的超声波数值模拟改进数值计算方法。在此基础上，开发出一套较完善的电磁超声无损检测数值模拟程序，并通过实验或理论分析验证该程序的可靠性。最后，基于电磁超声无损检测技术，建立一种检测热障涂层（TBC）系统微小局部界面裂纹或剥离的方法，并用所开发的数值模拟程序检验该方法的有效性。1.5 本论文主要内容本文主要研究电磁超声无损检测的数值模拟方法及其在热障涂层检测上的应用。总共分为五章，其中第二章主要介绍电磁超声无损检测的基本理论和方法。第三章主要介绍超声波的数值模拟，包括有限差分法和有限元法，建立了一种基于有限元的高效超声波数值模拟方法，开发了相应的二维和三维数值模拟程序，并与传统的有限元数值模拟方法的计算结果以及实验结果进行了比较验证。第四章主要涉及电磁超声的数值模拟，包括基于等效磁荷模型的静态磁场计算和脉冲涡流场的数值模拟，结合涡流场和超声波数值模拟程序开发电磁超声数值模拟程序并通过理论分析进行相应的验证。第五章为电磁超声在热障涂层无损检测上的应用。提出了一种基于电磁超声的热障涂层界面裂纹无损检测方法，并利用所开发的数值模拟程序验证了该方法的有效性。最后第六章对本文的工作给予总结，并进行了展望。2 电磁超声无损检测的基本理论方法2.1 超声波的基本理论2.1.1 超声波简介声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向周围传播，这便是声波。人类耳朵能否听到的声波频率范围为20Hz20kHz，声波按照此频率范围通常可分为三种，即次声波、可闻声和超声波。超声波即是频率高于20kHz、超出人们耳朵辨别能力并且穿透性很强的一种声波。超声波和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，是一种能量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的定向传播特性，而且易于聚焦。也由于其频率高，超声波的声强通常比一般声波大得多。此外，超声波在液体、固体中传播时，衰减很小，在固体中，能穿透几十米的厚度。超声波的这些特性在无损检测中得到广泛的应用2。2.1.2 超声波的波形由于声源在介质中振动的方向与波在介质中传播方向可以相同也可以不同，这就产生不同类型的声波。根据介质质点的振动方向与波传播方向之间的关系，超声波的波形主要有一下几种42。1） 纵波（压缩波）如图2-1所示，介质质点振动方向和波传播（前进）方向一致的波称为纵波。弹性介质受到交替变化的拉、压应力作用产生纵波。固体、液体和气体在受到拉、压应力作用时都能产生体积变形和产生弹性波。所以纵波可以在固体、液体和气体中传播。由于纵波的产生与接收比较容易，所以在无损检测中应用最广泛。图2-1 纵波传播示意图2） 横波（剪切波）如图2-2所示，介质质点的振动方向与波传播方向互相垂直的波称为横波。弹性介质在受到剪切力作用下产生横波。由于只有固体才能承受剪切力作用，故横波只能在固体介质中传播，并且固体中常常纵波和横波可能同时存在。图2-2 横波传播示意图3） 表面波（瑞利波）在固体介质表面可以产生表面波（瑞利波），图2-3为表面波传播示意图。由图可知，表面波在固体表面（xz平面）沿x方向传播，质点只在xy平面内作椭圆振动，椭圆的长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于传播方向。椭圆运动可视为纵向振动和横向振动的合成，即纵波和横波的合成，因此表面波和横波一样只能在固体介质中传播。图2-3表面波传播示意图4） 板波（兰姆波）当板的厚度与超声波的波长相当时，在固体介质中表面波就不会存在而只能产生各种类型的板波。板波传播时，薄板的两表面和板中间的质点都在振动，声场遍及整个板的厚度。如图2-4所示，板波按其传播方式又可分为对称型（S型）板波和非对称型（A型）板波两种。(a)对称型板波 (b) 反对称型板波图2-4 板波传播示意图2.2 电磁超声无损检测原理如图2-5所示，一个典型的电磁超声无损检测装置通常包括能提供静态磁场的永磁铁或电磁铁，能产生交变磁场的激励线圈，能感应产生涡流的导体试件以及能够接收超声波回波信号的线圈或其它形式的声波传感器。图2-5 电磁超声无损检测模型 检测时将电磁超声探头贴近与被检测导体试件表面。在激励线圈施加高压脉冲电流，由于电磁感应效应，此时在线圈周围会产生交变的电磁场，导体试件表面相当于一个整体导体回路，因此试件表面将感应出电流，即涡流。涡流的大小和性质将服从法拉第电磁感应定律，导体表面中涡流的大小取决于试件表面线圈中电流产生的磁场变化，其方向也将抵抗线圈中电流产生的磁场变化，涡流变化的频率同线圈中激励电流变化的频率相一致。同时由于静态磁场的存在，导体中涡流在静态磁场的作用下将产生交变的洛仑兹力（对于铁磁性介质还必须考虑磁致伸缩效应，本论文主要针对非铁磁性介质），该力使试件质点产生振动，从而产生超声波39。超声波