（轮机工程专业论文）船用钢板缺陷漏磁检测系统的研究.pdf

学术诚信声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行的研究工 作及取得的研究成果。除文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。本人 依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 ， 声明人( 签名) ： 形灭孟 时间： 少9 歹7 澎 保护知识产权声明 学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 誓篡薹淼龛石铪象导舭签孙黼声荔钐会苏 船用钢板缺陷漏磁检测系统的研究 摘要 船舶航行所处环境特殊，外部受力严重，内部结构复杂，船体钢板极易形成各种不同 的缺陷，对船舶正常运营安全产生威胁。钢板缺陷的存在将严重影响船舶运行的稳定、可 靠。为了确保船舶安全，必须对船用钢板进行定期检测，以便及时修复或更换缺陷构件。 本文提出了漏磁理论模型计算、有限元模拟和试验三种方法对钢板缺陷漏磁场进行分 析。介绍了漏磁产生的机理，针对不同形式的缺陷，采用磁偶极子模型分析方法对裂纹参 数( 裂纹深度、宽度、提离值等) 进行分析并得出影响规律，并分析漏磁场强度和其它相 关因素的关系。通过对不同磁化方式的对比分析和本文的研究对象，采用永磁体局部磁化 方式，并选用铷铁硼作为永磁材料，设计了磁化结构的初始模型，并对磁化强度和工作点 进行研究。 通过h n s y s 建立有限元模型，对励磁装置进行优化设计，包括永磁铁的厚度、宽度、 磁化间隙等进行分析，设计最合理的磁化装置；通过a n s y s 仿真结果查看磁力线分布情况， 漏磁场的大小分布情况，缺陷附近的漏磁信号等，为漏磁信号的检测提供了依据。 根据钢板检测的特点，通过比较选择漏磁线圈传感器阵列方式进行信号采集，利用电 磁检测仪对实验钢板进行检测，并对检测结果进行分析得出：检测信号出现正负跳变时， 说明此时传感器阵列所在的位置即为缺陷位置。根据跳变信号的幅值可以判断缺陷深度的 大致范围，同时根据跳变信号覆盖通道数的范围可以了解缺陷的宽度信息。 本文对漏磁场的分析将为漏磁检测仪器的开发提供依据。 关键词：漏磁检测，缺陷，有限元，磁化结构，船用钢板 s t u d yo nm a g n e t i cf l u xl e a k a g ed e t e c t i o n s y s t e mo fm a r i n es t e e l - p l a t e a b s t r a c t - s h i pn a v i g a t i o ni su n d e rs u c hs p e c i a lc i r c u m s t a n c e sw i t hs e r i o u se x t e r n a lf o r c e sa n d c o m p l e xi n t e m a ls t r u c t u r e st h a tm a r i n es t e e lp l a t e sa r ee a s yt oh a v eav a r i e t yo fd e f e c t s ，w h i c h r e s u l ti nt h et h r e a tt on o r m a lo p e r a t i o no ft h es h i p t h ee x i s t e n c eo fd e f e c t si ns t e e l - p l a t ew i l l s e r i o u s l ya f f e c tt h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es h i p i no r d e rt o 既l s u r et h es a f eo fs h i p s ，m a r i n e s t e e l - p l a t em u s tb ed e t e c t e dr e g u l a r l y , s ot h a tr e p a i r e do rr e p l a c e dt h ed e f e c t i v ec o m p o n e n t sf o r t i m e l y r n l i sp a p e rp r e s e n t e dt h et h e o r e t i c a lm o d e lo fm a g n e t i cf l u xl e a k a g e ，t h ef i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o na n dt e s t i n gt oa n a l y z ef l u x l e a k a g eo fm a r i n es t e e l - p l a t e h a v ei n t r o d u c e dt h e m e c h a n i s mo fm a g n e t i cf l u xl e a k a g e ，a n a l y z e dt h ea f f e c to fc r a c kp a r a m e t e r s ( c r a c kd e p t h , w i d t h , l i f t - o f fv a l u e ，e t c ) b ym a g n e t i cd i p o l em o d e lf o rd i f f e r e n tf l a wf o r m s ，c o r n e dt ot h ei m p a c to ft h e l a w s ，a n da n a l y z e dl e a k a g em a g n e t i cf i e l di n t e n s i t ya n do t h e rr e l e v a n tf a c t o r s m a g n e t i z a t i o no f d i f f e r e n tf o r m so fc o m p a r a t i v ea n a l y s i sa n ds t u d i e do ft h i sa r t i c l e ，r a k e dp e r m a n e n tm a g n e t m a g n e t i z a t i o np a r t i a lw a y , a n ds e l e c t e dn d f e b 勰p e r m a n e n tm a g n e tm a t e r i a l s ，d e s i g n e d m a g n e t i cs t r u c t u r eo f t h ei n i t i a lm o d e l ，a n ds t u d i e dt h em a g n e t i z a t i o na n dj o bp o i n t s t h r o u g he s t a b l i s h i n gt h ea n s y sf i n i t ee l e m e n tm o d e l ，a n a l y z e dt h em a g n e tp e r m a n e n t s ， i n c l u d i n gt h i c k n e s s ，w i d t h , m a g n e t i cg a p ，t h ea u t h o rd e s i g n e dt h em o s tr e a s o n a b l em a g n e t i c d e v i c e ；v i e w e dt h ed i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cl i n eo ff o r c e ，t h es i z eo fl e a k a g em a g n e t i cf i e l d d i s t r i b u t i o n ，t h em a g n e t i cf l u xl e a k a g es i g n a l sn e a rt h ed e f e c t sb yt h ea n s y ss i m u l a t i o nr e s u l t s ， w h i c hp r o v i d e dab a s i sf o rt h ed e t e c t i o no f m a g n e t i cf l u xl e a k a g es i g n a l a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t e e l - p l a t e ，s e l e c t e dm a g n e t i cf l u xl e a k a g es e n s o ra r r a y c o i lf o rs i g n a la c q u i s i t i o nb yc o m p a r i n g t e s t i n go nt h ee x p e r i m e n t a lp l a t eb ye l e e t r o m a g u e t i c d e t e c t o r o b t a i n e dt h er e s u l t s ：p o s i t i v ea n dn e g a t i v ed e t e c t i o ns i g n a lw h e nh o p p i n go na tt h i s t i m et h el o c a t i o no fs e n s o ra r r a yl o c a t i o ni sd e f e c t i v e h o p p i n gs i g n a l sb a s e do na m p l i t u d ec a l l d e t e r m i n et h ea p p r o x i m a t ed e p t hr a n g eo f , a tt h es 雒 l l et i m e ，t h eh o p p i n gs i g n a lt h a tc o v e r e d c h a n n e l sc a ns h o wt h ed e f e c t si n f o r m a t i o no fb r e a d t h t 1 1 i ss t u d yw h i c hd om a i no nt h em a g n e t i cf i e l dl e a k a g em a g n e t i cf l u xl e a k a g ew i l lp r o v i d e b a s i sf o rt h ed e v e l o p m e n to fi n s t r u m e n t s k e y w o r d s ：m a g n e t i cf l u xl e a k a g et e s t i n g , d e f e c t s ，f i n i t ee l e m e n t ，m a g n e t i cs t r u c t u r e ，m a r i n e s t e e l - p l a t e h 目录 第一章绪论1 1 1 选题意义1 1 2 船舶钢板损坏的主要形式1 1 3 各种主要检测方法2 1 4 漏磁检测技术的研究现状与发展趋势5 1 5 本文主要研究内容6 第二章漏磁检测理论分析7 2 1 漏磁检测原理7 2 2 磁偶极子分析法8 2 2 1 点偶极子模型8 2 2 2 线偶极子模型9 2 2 3 带偶极子模型1 0 2 3 磁荷模型分析1 2 2 3 1 点偶极子磁荷分析1 2 2 3 2 带偶极子磁荷分析1 2 2 4 计算结果分析1 3 2 4 1 裂纹深度对h ，的影响1 3 2 4 2 缺陷宽度对裂纹h y 值的影响1 4 2 4 3 提离值对h ，的影响1 4 2 5 三维漏磁场分布情况1 5 2 6 漏磁场的外界影响因素1 6 2 7 本章小结1 6 第三章磁化结构的设计1 7 3 1 励磁部分的设计1 7 3 1 1 磁化方式和材料的选择1 7 3 1 2 局部磁化1 7 3 2 磁化强度的选择1 8 3 3 磁路结构的设计1 8 i i i 3 3 1 磁路设计方案1 8 3 3 2 磁体工作点的确定2 0 3 4 本章小结2 0 第四章基于有限元分析的漏磁场分析一2 1 4 1 电磁场的有限元分析原理2 1 4 2 漏磁场有限元分析的特点2 3 4 3a n s y s 有限元分析软件在磁场分析中的应用2 3 4 3 1a n s y s 软件功能2 3 4 3 2a n s y s 的电磁场分析2 3 4 4 二维静态磁场a n s y s 分析步骤2 4 4 5 励磁装置的优化设计2 9 4 5 1 永磁体厚度的设计2 9 4 5 2 永磁体磁极宽度的影响3 0 4 5 3 磁化间隙的影响3 0 4 6a n s y s 仿真结果3 l 4 6 1 磁力线分布图3 2 4 6 2 磁通密度、磁场强度等值图3 2 4 6 3 磁矢量图3 3 4 6 4 缺陷附近漏磁场分析3 3 4 7 本章小结3 4 第五章漏磁检测系统试验研究3 5 。 5 1 漏磁系统设计3 5 5 2 传感器的选择3 5 5 2 1 线圈和霍尔器件性能比较3 5 5 2 2 检测方式的选择3 6 5 2 3 漏磁场的信号处理3 6 5 3 试验系统组成3 6 5 3 1 试验检测仪器3 6 5 3 2 试验对象3 7 5 4 检测结果3 8 i v 5 5 本章小结 第六章结论与展望 6 1 结论 6 2 展望 致 谢 参考文献 在学期间发表的学术论文 v 8 9 9 o 1 2 5 驱 们 钉 北 钙 集美大学硕士学位论文船用钢板缺陷漏磁检测系统的研究 1 1 选题意义 第一章绪论 现代船舶制造业是典型的密集型行业，主要体现在技术、资金以及劳动密集型，其发 展对国防建设、出口创汇、产业结构升级、国民经济建设都有非常重要的作用。近年来国 际航运业蓬勃发展，船舶需求量急剧上升n 1 。据国际货币基金组织( i m f ) 预测，全球有大 约9 0 的贸易都是通过海运来实现的。2 0 0 6 年全球海运量增长8 9 ，2 0 0 7 年预计将增长7 6 。 海运公司订购船只出现了订单至2 0 1 0 年的情况髓3 。从2 0 0 3 年年初开始，船只价格就在不断 地上涨，同时也带动了船用钢板的价格大涨。2 0 0 7 年第一季度，船用钢板的价格从2 0 0 6 年 9 月底的5 8 0 美元吨提高 ! l j 6 1 0 美元吨p 】。 随着我国造船业的迅猛崛起，建造船只的数量也大幅度增加，重大事故也明显增多。 我国前些年，连续有几艘新建船舶投入运营后不久即发生断裂事故瞄1 。事故主要是由船体 中部的舱口甲板、围板、舷侧外板和纵舱壁等部位的焊缝、板材出现大范围断裂造成的。 断裂是工程构件中最危险的一种失效方式，破坏前没有明显的征兆，常常引起灾难性的破 坏事故。研究发现大部分事故是发生在船用钢板焊接处、低温条件下、腐蚀严重处和高应 力集中处。 造船所用的钢材一般是指船体结构用钢，按船级社建造规范要求，生产的用于制造船 体结构的钢材包括型钢、船板等。为了保证船舶的使用寿命和安全，对船体结构用钢的性 能有严格的要求，其中包括化学成份、冶炼方法、工艺性能及机械性能等1 。船板的含锰 量高，含磷、硫元素成份低，韧性较强。 船舶制造和航行时所处环境恶劣，内部结构复杂，外部受力严重，船用钢板极易形成 各种不同的缺陷，对船舶正常运营安全产生威胁。钢板的裂纹将严重影响船舶运行的安全、 可靠，为了预防该类事故的发生，确保船舶安全，必须对船用钢板进行役前和在役的定期 检查，以便及时更换或修复存在缺陷的构件h 1 。由此可见，对船用钢板缺陷检测系统的研 究具有重大的学术意义和实用价值。 1 2 船舶钢板损坏的主要形式 钢板缺陷的表现形式主要有以下几种： ( 1 ) 疲劳裂纹。在制造和运营中，船用钢板长期受到内、外应力及振动、撞击，船舶本 身的静载压力和水压力、机械设备及货物的重量等作用，波浪、主机与螺旋桨的激烈振动 及船靠码头的冲撞力等多种外力的影响，不可避免地产生疲劳裂纹缺陷嘲。 ( 2 ) 货舱点蚀。船用钢板处于湿度高、海水盐度高、温度变化悬殊的环境中，货舱钢板 会逐渐产生直径达几毫米的微小点蚀。点蚀对船用钢板是一种隐形破坏，腐蚀扩展程度可 集美大学硕士学位论文船用钢板缺陷漏磁检测系统的研究 达每年3 至4 毫米，最终把钢板腐蚀出通孔。防止货舱点蚀多年来都是困扰船运界的一大难 题引。 ( 3 ) 油船钢板腐蚀。海上航行时，为了保证油船的航行稳定，空载时需要在油舱中注入 海水进行保护，油水的交替作用使钢板腐蚀严重；而油舱、储油罐、油管等储油、输油设 施的原油或成品油中存在一定的杂质，在钢板油气界面处产生腐蚀。石油产品中的酸性物 质是产生腐蚀的主要原因。 。 ( 4 ) 船舶焊接缺陷。船舶焊接质量是评价船舶质量的重要指标。焊接速度高易使熔池中 的气泡来不及排出而形成气孔问题，焊接过程控制不当易在焊缝中夹杂焊渣或未焊牢处。 这些缺陷在船舶运行中都有可能产生破坏性的事故。 ( 5 ) 钢板低温脆性裂纹。材料的断裂韧性是随温度变化的。船舶航行过程中经过较为寒 冷的南北极附近时，钢板材料的性质在低温下会发生改变，韧性减小，脆性增加，就有可 能在应力集中的地方产生脆性裂纹，甚至发展为断裂n 们。 事故分析中发现，所有的断裂均起源于材料中不同形式的缺陷。在外力的作用下，缺 陷处产生应力集中，引发裂纹并逐渐增长，削弱结构的实际承载能力，最后裂纹发生急剧 扩展，从而导致了结构的破坏。 1 3 各种主要检测方法 目前可应用于船用钢板缺陷诊断的检测方法有：超声波、射线、液体渗透着色、磁粉、 激光全息照相、涡流、磁记忆和微波等方法3 。在这些检测方法中，每种检测方法都有其 优点和不足之处，有的漏检严重、探测深度浅，有的检测费用高、检测速度慢、要求防护 严等。下面就各种检测方法的优缺点进行分析。 ( 1 ) 超声波检测( u t ) 超声波检测是通过超声传感器将高频声波射入被检钢板，如果其内部有缺陷，则一部 分入射的超声波在缺陷处被反射回来，再利用传感器将反射回来的信号接收，可以检出缺 陷的位置和大小2 1 。 超声波检测是目前比较成熟的一种无损检测技术，适用于各种材料包括金属和非金属 材料。超声波检测设备轻便、操作方便，成本低、数据可储存、可做现场检测、对平面型 缺陷检测结果准确，对人体环境无害。 但还存在以下几个方面的不足： 。 1 ) 必须对表面涂层进行打磨清除处理，使劳动强度增加； 2 ) 容易造成耦合不良，检测速度慢、时间长； 3 ) 检测结果与操作人员专业素养有关，往往带有主观因素； 4 ) 腐蚀表面或腐蚀坑底易产生声波散射，回波信号衰减较厉害； 5 ) 钢板上下及正反面回波判断难度大，极容易造成误判。 2 集美大学硕士学位论文 船用钢板缺陷漏磁检测系统的研究 ( 2 ) 射线检测 射线实时成像检验技术是随着成像物体的变动图像迅速改变的电子学成像方法，和胶 片射线照相检验技术几乎是同时发展的。射线检测适用于所有材料，对零件形状及表面粗 糙度无严格要求、影像直观、可对裂纹进行定位和定性、底片可长期存档。其局限性是平 面检测灵敏度较低、当射线方向与裂纹垂直时难以检测、射线对人体有害。最主要是射线 的散射不容易控制，容易发生泄漏n 阳。 ( 3 ) 磁粉检测( m 1 ) 。 磁粉检测方法是美国人霍克( h o k e ) 1 9 2 2 年提出的n 蚰。铁磁性材料表面或近表面的折 叠、裂纹、夹渣等缺陷就是采用磁粉检测法，并能确定缺陷大小和位置的一种简单易行的 方法n 朝。检测钢板时先把受检部分进行磁化，在所检测的部位及周围产生磁场。如果钢板 有缺陷，这时缺陷处的磁阻较钢材本身磁阻大很多，在缺陷附近磁力线将会产生弯曲绕行 的现象。当缺陷位于钢板表面或近表面时，一部分磁力线将绕过缺陷进入空气中，产生漏 磁现象。如果在钢板表面涂上磁粉混浊液或撒上铁磁粉，则缺陷处的漏磁场会吸住部分磁 粉而把缺陷显示出来。 磁粉检测所需的设备简单，迅速可靠，操作方便，成本低，对表面缺陷检测灵敏度高， 缺陷较直观。但是磁粉检测会增大劳动强度，工作环境恶劣，受主观因素影响、要对工件 磁化和退磁、检测深度较浅，检测效果并不是很好n 6 】。 ( 4 ) 渗透检测( p t ) 渗透检测是检测物体表面裂口缺陷的一种方法，物体可以是金属材料以或非金属材 料。具体操作是先将检测物体用清洁剂处理干净，再把渗透剂喷撤缺陷表面使之渗入，然 后施加显像剂，在物体表面形成显像膜，缺陷中的渗透剂就会通过毛细作用被吸出至物体 表面。缺陷表面渗出的渗透剂显示出缺陷纹路，并比实际缺陷尺寸大，易于发现，肉眼就 能轻易的看出材料的缺陷。 渗透探伤的优点为： 1 ) 材料、设备简单： 2 ) 对表面缺陷检测结果可靠性高。 渗透检测的缺点是： 1 ) 难以确定缺陷深度； 2 ) 受操作人员的影响大； 3 ) 对表面清洁度要求较高。 ( 5 ) 涡流检测法( e d d yc u r r e n tt e s t i n g ，简称e c t ) 涡流检测法是无损检测领域的一个重要方向。涡流检测广泛应用在小型管道检测，钢 丝绳检测以及薄钢板检测等方面。 涡流检测与漏磁检测相比，差异较大，它不仅可以检测铁磁材料，还能检测铝质等非 铁磁金属钢板，故其检测对象的范围广泛，检测后也不需考虑对钢板进行退磁处理。如果 3 集美大学硕士学位论文船用钢板缺陷漏磁检测系统的研究 从检测效率来看，涡流检测法远高于超声波检测法。涡流法检测钢板的最大缺点在于它的 “趋肤效应 ，导致检测深度不够，渗透能力不足，无法检测出钢板背面的大缺陷。 ( 6 ) 激光全息照相检测 优点主要有非接触检测、直观、结果便于保存、灵敏度高、具有空间解象能力、对表 面尺寸形状无限制；局限性：要在暗室中进行、受机械作用、热效应、振动的影响、需要 严格隔振、不利于现场检测n 刀。 ( 7 ) 。磁记忆检测方法传感器便宜、简单、适合长期监测，对材料的疲劳裂纹较为敏感， 但由于其形成原因是由于应力集中引起，故不适合于腐蚀和脆性裂纹的检测n 8 】，对于缺陷 的类型受到很大限制，应用上有一定的局限性。 以上几种检测方法虽然在钢板生产及使用中的质量控制、安全保障、事故预测和防范 等方面起重要作用，但仍存在诸多不足：大部分检测方法对被检对象表面要求比较苛刻， 需要严格打磨、清除涂层等预处理；有些现场检测工作量大，劳动条件差，易出现漏检现 象；被测件的结构形状对检测精度影响大，并难以排除人为因素对检测精度的影响，其检 测结果的准确性大打折扣。所以以上方法均不适用于船用钢板的缺陷检测。 ( 8 ) 漏磁检测( m f l t ) 漏磁检测是指铁磁材料在外部强磁场作用下被磁化后，其表面和近表面缺陷在材料表 面形成漏磁场，通过检测漏磁场以发现缺陷的无损检测技术。1 9 4 7 年h a s t i n g s 设计了第一 套漏磁检测系统。2 0 世纪5 0 年代，德国福斯特公司研制出产品化的漏磁探伤装置。我国于 九十年代初开始漏磁检测技术的研究，于2 0 0 2 年研制出管道和钢板腐蚀漏磁检测仪n 钔。 漏磁检测主要的特点有： 1 ) 易于实现自动化。漏磁场检测方法是由传感器获取信号，计算机判断有无缺陷，它的 这一特点非常适合于组成自动检测系统。 2 ) 较高的检测可靠性。由计算机根据检测到的信号判断缺陷的存在与否，可以从根本上 解决在磁粉、渗透方法中人为因素的影响，而具有较高的检测可靠性乜。 3 ) 可以实现缺陷的初步量化。缺陷的漏磁信号和缺陷的形状具有一定的对应关系，在一 定条件下，漏磁通信号的峰值和表面裂纹的深度有很好的线性关系，缺陷的可量化度使得 这种方法不仅可以用于检测缺陷，更重要的是可以对缺陷的危险程度进行初步判断，这是 实现无损检测评价的基础瞳2 堋。 4 ) 高效、无污染。自动化的检测可以获得很高的检测效率，例如德国f o e r s t e r 研究所的 r o t o m a t 检测钢管的速度可达l o - - 6 0 m m i n 。同时，检测方法本身也决定了其对环境的无 污染性。 5 ) 只适用于被磁化后的铁磁材料。只有铁磁材料被磁化后，表面或近表面缺陷才能在试 件表面产生出漏磁通。因而，漏磁场检测和磁粉检测一样只适合于铁磁材料的表面检测瞄1 ， 如黑色金属、除奥氏体不锈钢之外的所有的钢材。 漏磁检测的缺点主要有： 4 集美大学硕士学位论文船用钢板缺陷漏磁检测系统的研究 1 ) 被检钢板不可以太厚，否则容易出现虚假数据。钢板太厚很难达到磁化饱和，检测出 信号不准确； 2 ) 很难判断缺陷是在上表面还是在下表面。用传感器检测的信号是上下表面漏磁场的合 成信号； 3 ) 仪器重量比较大。漏磁检测需要对被检测材料进行磁化，磁化装置也是一个比较笨重 的装置。 漏磁检测的产生特点和机理显示：该方法适用于船用钢板的缺陷检测，且方法结果准 确、检测效率高。通过以上比较，针对船用钢板缺陷的研究，本文选择了漏磁检测作为本文 的研究对象。 1 4 漏磁检测技术的研究现状与发展趋势 1 9 4 7 年h a s t i n g s 设计了第一套漏磁检测系统。2 0 世纪5 0 年代，德国福斯特公司研制出 产品化的漏磁探伤装置。我国于九十年代初开始漏磁检测技术的研究，于2 0 0 2 年研制出管 道和钢板腐蚀漏磁检测仪。国内研究漏磁检测技术的高校主要有清华大学、华中科技大学、 上海交通大学、沈阳工业大学等。漏磁技术在石油、石化、钢铁等领域应用广泛，可检出 样件表面、近表面的裂纹、气孔、腐蚀、凹坑、夹杂等缺陷等，也可用于铁磁性材料的测 厚。漏磁检测技术的研究在船舶领域尚处于引用的初级阶段，在船舶的漏磁检测探伤设 备的开发制造上还刚刚起步。因此，本课题针对漏磁检测技术在船用钢板缺陷检测中的应 用研究，对这项检测方法引入船舶工业有重要意义。 漏磁检测包括对漏磁场和对被测材料的励磁的测量。检测技术的研究主要内容包括励 磁装置的优化设计、漏磁信号的检测及预处理、漏磁场强度和缺陷参数之间的关系，以及 缺陷参数的反演等瞳 。 漏磁检测技术的研究在数学上属于电磁场的边值求解问题，目前研究方法主要包括磁 荷法、解析法、数值方法和物理实验法等。( 1 ) 解析法边值求解包括建立和求解积分或微 分方程，这种方法易于理解和掌握，现在仍是磁场计算和分析的重要方法之一。在计算中 没有考虑漏磁和铁策材料工作时的非线性，无法准确计算铁磁材料内的磁场分布情况，因 此在实际设计中应用有限；( 2 ) 磁荷法是z a t s p t i n 和s c h e r b i n i n 在2 0 世纪6 0 年代中期 提出的，很好的解释漏磁现象的产生，在缺陷形状参数( 宽度、深度以及倾斜角度等) 对 漏磁场分部的影响方面做了大量的研究工作。文献汹伽等均采用磁荷法来研究缺陷参数变 化对漏磁场分部的影响，对于缺陷漏磁场的特性的认识发挥了重要作用；( 3 ) 物理实验法 是通过大量的实验，测量不同缺陷参数下的漏磁场分部情况，研究缺陷参数和漏磁场间的 对应关系。实验也讲花费大量的物力人力，在缺陷的加工也很难模拟自然缺陷，而且缺乏 理论基础；( 4 ) 数值计算法可以很好的模拟各种实验条件，方便修改实验参数，因此能够 很好的解决物理实验方法的不足。在文献出6 4 0 3 中均利用有限元分析对漏磁场进行研究，深 5 集美大学硕士学位论文船用钢板缺陷漏磁检测系统的研究 化了对漏磁检测机理的认识。 1 5 本文主要研究内容 第二章，主要介绍漏磁场检测的基本原理以及钢板缺陷漏磁的磁偶极子数学模型，分 析了缺陷的各种参数对漏磁场的影响，另外还分析了漏磁场的外界影响因素。 第三章，主要介绍了磁化结构的设计，包括磁化材料、磁化方式和磁化强度的选择， 并设计了磁路方案，对相关材料进行选型。这为下面有限元分析和实验做准备。 第四章，主要介绍了电磁场有限元分析原理和有限元软件a n s y s 分析电磁场的方法。 并利用a n s y s 对磁路结构模型进行分析优化，设计最合适的磁化机构，并对缺陷附近漏磁 场进行分析。 第五章，主要介绍了漏磁检测实验研究，包括传感器选择，实验材料的加工和实验结 果分析等。 第六章，结论与展望。 6 集美大学硕士学位论文 船用钢板缺陷漏磁检测系统的研究 2 1 漏磁检测原理 第二章漏磁检测理论分析 漏磁检测是通过检测被磁化的材料表面溢出的漏磁通，来判断缺陷是否存在的一种无 损检测方法。一块内部无缺陷或夹杂物，表面光滑无裂纹的铁磁性材料被磁化后，其磁力 线在理论上应全部通过由铁磁材料构成的磁路。若存在缺陷，由于缺陷处介质与铁磁材料 的导磁率不同，缺陷处的磁阻比铁磁材料大很多，磁感应线会在缺陷处发生畸变，如图2 - 1 所示，若两种介质的磁导率相差很大，例如铁和空气，磁感应线折射进入空气后几乎垂直 于铁磁材料表面。 磁通分为三部分：1 部分离开铁磁材料表面，经过空气或其它介质绕过裂纹，形成畸 变磁通，即所谓的漏磁通，也就是传感器能检测的部分；2 部分磁通经过裂纹周围的铁磁 材料绕过裂纹；3 部分磁通穿过缺陷h 。 磁化装置 一答l 警 铁磁材料 图2 - 1 漏磁法检测原理图 漏磁通信号与裂纹尺寸是有一定对应关系的，现在比较认同的关系如下： h ( x ，y ，z ) o o h 2 以p o h o k ( x ，y ，z ，h ，z ，w ) 式( 2 一1 ) 其中h 一漏磁通的磁场强度； h 一裂纹深度； x 。一被测材料的磁化率； 一真空磁导率； h o 一外加磁场强度； k 一与坐标选择有关的几何参数。 7 集美大学硕士学位论文 船用钢板缺陷漏磁检测系统的研究 2 2 磁偶极子分析法 对缺陷漏磁场与缺陷形状参数之间的关系主要从理论分析计算和实验测量两个方面 进行研究。在理论分析方面，1 9 6 6 年苏联学者提出用磁偶极子无限长磁偶极线模型和无限 长磁偶极带模型模拟工件表面的点状缺陷、浅裂纹和深裂纹，开创了漏磁检测定量分析的 先河h 羽；此后，前苏联以及美、日、英、德等多国学者对这一领域相继进行了研究，并分 成了两大学派：美日是工程近似学派，多借助计算机进行有限元算法求解；而前苏联为首 的经典理论学派，多用磁偶极子方法求解。 钢板在磁场中被磁化饱和时，在缺陷周围产生漏磁场，可以把缺陷的两个侧面看作磁 极，用等效的磁偶极子来模拟。 缺陷漏磁场由于缺陷大小、形状和材质等方面的不同，分布情况十分复杂。为了研究 的方便，一般将不规则的漏磁场进行分类归纳，本文采用近似的模型进行模拟分析、计算。 缺陷漏磁场可由不同的模型模拟，目前最为常用且简单直观的是采用磁偶极子的模拟方 法，然后以静磁学来计算磁偶极子在空间任意点的场强嘲。 磁偶极子模型的解析法主要包含以下三种类型“钔： ( 1 ) 等效点偶极子模型用于模拟工件点状缺陷、凹坑、表面孔洞等； ( 2 ) 等效线偶极子模型用来模拟材料表面的刻痕、划痕等缺陷； ( 3 ) 等效带偶极子模型用来模拟裂纹类缺陷，将其等效为无限长的矩形槽。 2 2 1 点偶极子模型 y j、 a ，7 h i “2 瓢 o i 。 q 一。l 一| q 止； 。- i b 一一b “ y jl 形 缈 b 一 x 图2 - 2 等效点偶极子模型 图2 3 等效线偶极子模型 由于缺陷相对与试件几何尺寸是极小的，因此可认为在缺陷一定范围内，在外加磁 场瓯的作用下试件局部饱和。如图2 2 所示，相距为2 b 的两个极性相反的磁荷( 即磁 偶极子) 在空间任一点p 的磁场为： 叁菱奎堂堡主学位论文 船用钢板缺陷漏磁检测系统的研究 一- ：= ： 日= 鼍厂 4 7 r t o r 。 在检测点p 处，漏磁场的垂直分量为： 牛氍 蔺矛商帮 q = 彘 2 2 2 线偶极子模型 y ( 工+ 6 ) 2 + y 2 3 7 2 ( 工 y 一6 ) 2 + y 2 3 ，2 式( 2 2 ) 式( 2 3 ) 式( 2 4 ) 所谓线偶极子模型就是具有两个线磁荷密度为万= 埠相等，符号相反，缺陷宽度 相距为2 b 的两条无限长磁荷线，如图2 - 3 所示，一条无限长正磁荷线与它相距为，；的点p 所产生的场强为： 巧= i 同理，对于负磁荷线在点p 所产生的场强为： i 式( 2 5 ) 式( 2 6 ) 则线偶极子在p 点产生的场强为上述两式的矢量和，其x ，y 两个方向的分量是： 氓2 鬲一 b 2 币可硼2 p m l b x 再y 网 9 式( 2 7 ) 集美大学硕士学位论文 船用钢板缺陷漏磁检测系统的研究 2 2 3 带偶极子模型 如图2 - 4 所示，在建立的模型中，将 被测物体简化成无限长的模型，缺陷为 窄带矩形槽。假设裂纹为无限长，深h ， 槽宽2 b ，磁化使矩形槽两侧均匀分布着 面密度相等、极性相反的两条磁荷带， 并设在其它部位和槽口均无磁荷的分 布。 图中： 刁一磁荷面宽度； h 一磁荷产生的磁场强度； 一真空磁导率， 数值为4 x x l o ，单位为h m ； 图2 - 4 等效带偶极子 一载荷面密度； 厂一空间点到磁荷的距离 ，l = + 6 ) 2 + o 一叩) 2 ，厂2 = 缸一6 ) 2 + ( y 一叩) 2 ； h 一矩形槽深度； 2 6 一矩形槽宽度。 从上述理论计算模型可以得到槽壁上具有宽度为d 刀的面元上的磁荷在p ( x ，y ) 点产 生的磁场分布为： 嘲= 氅，l 式( 2 - 9 ) 扭2 = 氅也 式( 2 _ 1 0 ) 它们的x ，y 分量为： q x 。赤一 引2 ) 1 0 集美大学硕士学位论文 船用钢板缺陷漏磁检测系统的研究 d h ，= d h l y 2 d h 2 y 2 ( 工一6 ) d 叩 p m s ( y + r 1 ) d r l p m s ( y + r 1 ) d r l 总的水平分量h x 可通过对础l 积分得： hh 也2 占嘲x + 占哆x 式( 2 - 1 2 ) 式( 2 - 1 3 ) 式( 2 - 1 4 ) 2 j p r o s a r c t a n 一一一y ( y j 一5 ， ： ( x + 6 ) z + y ( y + 办)( x 一6 ) z + j j l ) j 划2 1 5 ) 总的垂直分量q 可通过对翻弓积分得： hh 2 占嘲y + 占哆y ：旦坠妇 = 一，玎 4 7 r , u 0 ( x 一6 ) 2 + 夕2 式( 2 - 1 6 ) 当裂纹深度较深，检测得提离值低时，检测点h b ，h y 且h x 。所以上式可化为： 其中 以= 篆x + b - 一一孚 加， 彤= 踹 式( 2 - 1 8 ) 集美大学硕士学位论文 船用钢板缺陷漏磁检测系统的研究 则由： 式中： h 一+ 1 = 5 讹 + 1 u b 一钢板的磁导率 h 一夕 加磁场 = 蹄 即可得出空间某点的磁场强度。 2 3 磁荷模型分析 式( 2 - 1 9 ) 式( 2 - 2 0 ) 钢板被磁化后，缺陷产生的漏磁场是个空间矢量，分别为径向分量( 垂直法向分量) 和轴对称的漏磁场分解为轴向分量( 水平切向分量) 。 2 3 1 点偶极子磁荷分析 对于点偶极子模型如图2 - 2 ，在式( 2 - 3 ) 中，令b = l m m ，h = l m m ，y = 2 m m ，x = ( 一1 0 - - 1 0 m m ) ， 可以得到漏磁场强度轴向分量h ，随着x 变化的情况如图2 - 5 所示。 口2 & 1 5 l il | | | i ； 黝 图2 - 5 漏磁场水平分量h x 随x 变化曲线图 图2 - 6 漏磁场垂直分量h 。随x 变化曲线图 在式( 2 4 ) 中，令b = l m m ，h = l m m ，y = 2 m m ，x = ( - l o l o m m ) ，可以得到漏磁场强度径向分 量h y 随着x 变化的情况如图2 6 所示。 2 3 2 带偶极子磁荷分析 对于带偶极子模型如图2 4 ，在式( 2 - 1 5 ) 中，令b = l m m ，h = l m m ，y = 2 m m ，x = ( 一l o - - l o m m ) ， 可以得到漏磁场强度轴向分量h i 随着x 变化的情况如图2 7 所示。 1 2 集美大学硕士学位论文 船用钢板缺陷漏磁检测系统的研究 ，嗡 ii z ij 籀- 1 0占o5 il群 坤 5 。残 |1 雎 ? 。 - _ 一 于 c 图2 7 漏磁场水平分量h 。随x 变化曲线图 图2 - 8 漏磁场垂直分量h y 随x 变化曲线图 在式( 2 1 6 ) 中，令b = l m m ，h = i m m ，y = 2 m m ，x = ( - 1 0 - - - 一1 0 r a m ) ，可以得到漏磁场强度径向 分量h ，随着x 变化的情况如图2 8 所示。 2 4 计算结果分析 从上面的图形可以明显的看到，对于点偶极子模型的轴向分量和径向分量的变化趋势 和带偶极子模型的变化趋势相同。传感器的放置在实际检测中可以是多种多样的，在不同 的放置下可以得到多种不同的采集波形。图2 - 5 和图2 - 7 为h i 随x 轴变化的曲线图，此时 相当于传感器只接受x 方向的漏磁场而得到的曲线图，也就是传感器垂直放置时的检测效 果波形图。图2 - 6 和图2 - 8 为h ，随x 轴变化的波形图，此时，同样相当于传感器只接受y 方向漏磁场而得到的波形，也就是传感器水平放置时的检测效果波形图。考虑到研究对象 为钢板，传感器放置几乎都是水平放置，故只需考虑h ，即可。 下面我们重点来考虑影响漏磁场径向分量h ，强度的因素，以带偶极子模型为例。 2 4 1 裂纹深度对h v 的影响 对于裂纹来说，裂纹深度是缺陷评价的主要因素，裂纹的深度对构件的机械性能影响 很大。怎样从检测的信号中获得裂纹的深度信息和裂纹深度如何影响漏磁场的分布是漏磁 检测理论和实际应用研究中最重要的内容。针对以上问题利用公式( 2 - 1 5 ) ，取不同的h 值，将b ，y 固定，这里不妨设b = l m ，y = 2 m m ，x - ( - i 0 一- 1 0 r a m ) ，h 分别取0 5 m m ，i m m ，i 5 m m ， 2 m m 可以得到图2 - 9 。 1 3 憾 旺 ：呈 叭 滔 集美大学硕士学位论文 船用钢板缺陷漏磁检测系统的研究 疆 牛李j ：# 毒 薅i 貉i i二 i ， 啦卜一p p 一分毛k = 争- 痧z - 卜一 o 饥， l 1 、， l r _ j o m i i 一；一；一k 鼍一 、， 、1 ， m 。l l l l 三乙上 七量卜j - 鼍一 如 ： 鼍弧 蓄漱 点 垂嬲 i b ；1 _ | 出皇08 磊覆 7 驻一 膨彭 n 拶 图2 - 9 缺陷宽度不变h ，随h 变化曲线图图2 - 1 0 缺陷深度不变h y 随b 变化曲线图 由图2 - 9 所示曲线可知： ( 1 ) 垂直分量h ，具有正峰和负峰，并且峰一峰值出现在距裂纹中心位置几乎相同的位置。 ( 2 ) 峰一峰间的变化梯度大，变化梯度与裂纹深度成正比。 ( 3 ) 峰一峰值随裂纹的深度增加而增加。 由上