(沈陽工業大學 信息科學與工程學院，沈陽 110870)
摘 要：利用有限元法計算探頭磁化器在鋼板磁化時的磁矢勢，對影響脈沖漏磁技術檢測結果的因素：缺陷深度、激勵頻率等進行分析。依據現有的U型規格磁化器，建立了磁化器對鋼板磁化時的有限元模型，采用場路耦合的方式，計算脈沖信號勵磁下，鋼板缺陷處漏磁場法向磁感應強度大小。在有限元分析中，研究U型磁化器在缺陷處產生的漏磁信號特征，影響漏磁場磁感應強度大小的因素：裂紋深度、激勵信號頻率等，給出了它們的關系曲線,為鋼板缺陷脈沖漏磁檢測提供理論指導。
關鍵詞：脈沖漏磁檢測；無損檢測；有限元；數值模型；場路耦合
中圖分類號：TG115.28 文獻標識碼：A 文章編號：
The Finite Element Simulation of pulsed magnetic flux leakage techniques for plate defect
Zhu Ming，YANG Li-jian，XING Yan-hao
（School of Information Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang, 110870, China）
Abstract： In order to research the influence result factors when the probe detect steel plate defect based on the pulsed magnetic flux leakage (PMFL) techniques, the finite element method is used to research the magnetizer of probe operating state. The factors include the flaw depth, the excitation frequency and so on. The finite element model was established for flaw defection in experimental condition. The simulation result give the characteristics of the pulsed magnetic flux leakage (PMFL) techniques. The relationship between the changes of defect depth and excitation signal frequency on the defect is given by curve form. The analysis result provides the theory instruction for the steel plate defect based on the pulsed magnetic flux leakage (PMFL) techniques.
Keywords： Pulsed magnetic flux leakage testing ; Non-destructive testing; Finite element; Numerical simulation; coupled field-circuit
1引言
漏磁檢測技術被廣泛用于對鐵磁性材料的檢測，與其他無損檢測方法檢相比，其具有非接觸，易實現的優點。漏磁檢測需要對檢測的對象進行全局或者局部的磁化，通過檢測被測對象由于缺陷存在，在磁化時泄露的磁場，利用傳感器獲得漏磁場磁感應強度信號，來判斷缺陷。漏磁檢測方法主要采用直流磁化、永磁鐵磁化、交流磁化，單獨一種磁化方式或復合磁化方式[1]。但是直流磁化往往需要較大的磁化器，才能使試件磁化飽和，從而使缺陷處產生足夠的漏磁場；永磁鐵磁化能力受到限制，不能對大部件進行磁化，且不容易量化處理；交流磁化，探頭較小，便于攜帶，通常用正弦波激勵，頻率成分單一。
脈沖信號勵磁是漏磁檢測方法的一個新的發展方向，由此產生的脈沖漏磁檢測法，具有交流磁化的特點，并且頻率豐富，通過時頻分析其激勵磁場下的缺陷信號可以得到更可靠的檢測結果，得到有關缺陷更多的信息，因此脈沖漏磁檢測法有相對于交直流漏磁檢測法更好的優勢，值得推廣。本文選取了常用的Q235材質鋼板，研究U型磁化器對鋼板脈沖勵磁時，在缺陷處產生的漏磁場信號特征，分析影響鋼板脈沖漏磁檢測的因素。
2脈沖漏磁檢測原理
脈沖漏磁檢測方法與傳統的漏磁檢測方法一樣，應用于鐵磁性材料的檢測，不同之處在于其使用脈沖信號進行勵磁，通常用周期性的方波信號代替[2]，鋼板缺陷的脈沖漏磁檢測原理如圖1所示
由漆包線纏繞在高導磁率磁芯上組成的磁化器，從左至右水平移動，運動方向與矩形槽軸向垂直。由激勵裝置產生的脈沖電壓信號通入磁化器線圈，產生電磁場，磁場的磁力線在磁芯的集束下，進入待檢測的鋼板試件。由于鋼板存缺陷時，在一定的磁化強度下[3]，產生漏磁場，使缺陷處上下有磁力線泄漏，通過傳感器可以檢測到漏磁場磁感應強度。
磁性鋼板，當磁化場強度越大，由鋼板BH曲線可知其確定的磁導率越大，由公式（1）知其磁場深度深度越小，故其渦流感應出的磁場主要對表面缺陷檢測結果產生影響。
3有限元仿真
選用ansys電磁場軟件對磁化器在鋼板上脈沖磁化時的狀況進行有限元分析。模型中的電磁場是由如下麥克斯韋方程組來描述的：
在圖2b中，裂紋缺陷和磁芯下的空氣區域是提取漏磁場強度的關鍵區域，在網格劃分中，網格尺寸應更小，使計算的結果更準確。通常實驗中用矩形溝槽模擬裂紋缺陷，故在二維模型中用矩形區域模擬裂紋缺陷；選擇PLANE53號單元，作為計算單元，并建立了磁化器的全模型。用CIRCU124號單元構成外圍激勵電路，選擇了與實際實驗條件相接近的場路耦合的方式[6]，對脈沖信號激勵下，有限元模型中磁場強度進行了瞬態分析。
選擇軟件中的MKS（米-千克-秒）單位制，其中各部分區域的材料屬性為：空氣的相對磁導率設為1；線圈的相對磁導率為0.9999，電導率為3.28E+07 S/m，磁芯的磁導率為10000，鋼板的相對磁導率為實驗測得的Q235號鋼的BH曲線，電導率取0.54E+07 S/m，缺陷處為空氣，不需另行設置。
3.2求解和后處理
通常在有限元模型中，需給分析的有限元模型加載一個激勵，這個激勵可以是電壓幅值，也可以是電流密度。在文中所介紹的磁化器，其線圈在實際中通入的是脈沖信號，線圈是不能夠看做是純阻性的，其具有一定的感性負載，在勵磁時，電流密度是變化的，所以加載恒定的電流密度是不準確的。如果直接加載電壓，用APDL語言描述加載的脈沖信號電壓幅值則不夠準確，故選用軟件中提供的電路脈沖電壓源，建立外電路，把外電路中的線圈與有限元模型的線圈區域耦合，即用場路耦合的方法進行加載。
在建立的外電路中，設定脈沖電壓源產生的脈沖信號占空比為50%，周期為20ms，幅值為6V。在二維模型中，設定鋼板的厚度為10mm，總長度為為200mm，上面有一寬為2mm，深為6mm的表面矩形溝槽（因為建立的是二維模型，故只需長度和寬度兩個參數）。采用瞬態分析的方式，在激勵電路工作前，設定0.5ms的延時，計算的時間子步長為0.5ms，前5ms采用線性加載，后15.5ms采用階躍加載的方式。
分析發現在脈沖信號激勵的一個周期中，在脈寬結束時刻左右缺陷處的漏磁場磁感應強度最強，其在10ms時產生的磁力線如圖3所示。
磁力線圖是直觀的反應模型中磁場大小的方式，磁力線的密集程度代表著磁場強度的大小，磁力線越密集，磁場強度越大。由圖3可知，當脈沖信號進行勵磁時，產生的磁力線主要集中在鋼板表面以及近表面，在缺陷處的上表面空氣中，有泄漏出的磁力線。
同時還可查看電磁場磁感應強度方向，電磁場矢量如圖4所示。
電渦流密度是反應產生渦流大小的量，由圖5可見，在周期脈沖信號激勵下，在鋼板表面存在渦流，其在鋼板表面和近表面處的強度最大。在鋼板缺陷的脈沖漏磁檢測中，檢測的是漏磁場的磁感應強度的量，由圖可知渦流產生的磁場會對表面和近表面缺陷的檢測結果構成一定的影響。
(1) 矩形溝槽深度與漏磁信號幅值的關系
使用相同的脈沖激勵信號，對有限元模型中深度分別為2mm、4mm、6mm的表面溝槽及無缺陷處的漏磁場磁感應強度進行了仿真計算。在后處理中，通過軟件中的TimeHist Postpro選項，提取溝槽模型有限單元邊沿正上方，1mm提離高度處的法向磁感應強度。經過整理歸納，在同一坐標系中，畫出不同深度的溝槽缺陷漏磁場磁感應強度隨時間變化的關系曲線如圖6所示。
圖中縱軸為漏磁場的法向磁感應強度，橫軸為激勵信號的加載時間，w代表無傷處的信號幅值，2、4、6分別代表的是深度為2mm、4mm、6mm的矩形溝槽漏磁場法向磁感應強度在不同加載時刻的幅值曲線。由圖可見不同深度缺陷的法向磁感應強度峰值分別為：2mm深為2.79mT，4mm深為3.67mT，6mm深度為4.53mT�？芍�2mm深和4mm深之間磁感應強度峰值差為0.88，4mm和6mm深之間磁感應強度差為0.86。表明隨著缺陷深度的加深，缺陷處漏磁場法向磁感應強度信號幅值也隨著變大，其信號峰值與深度近似呈線性關系。
(2)激勵頻率與漏磁信號幅值的關系
除對表面溝槽缺陷進行仿真外，還對激勵信號頻率對檢測背面矩形溝槽漏磁場磁感應強度的結果影響進行了研究。采用改變外電路中脈沖電壓源信號周期的方式，改變激勵頻率。仿真計算的對象為在200mm長10mm厚Q235材質上，寬2mm、深6mm的背面溝槽，在激勵頻率25Hz、50Hz、100Hz下的狀態下，缺陷處與無傷處漏磁場法向磁感應大小。得到磁感應強度峰值與激勵頻率變化關系的曲線，如圖7所示。
圖7中縱軸為法向漏磁場的磁感應強度，橫軸為激勵信號的加載時間，w代表無傷處的信號幅值，6代表的是深度為6mm的背面矩形溝槽。由圖可見，檢測鋼板背面缺陷，激勵頻率越高，缺陷處和無缺陷處漏磁場法向磁感應強度差別越小，故檢測頻率應集中在低頻段。
4結論
通過對U型磁化器在鋼板上方磁化時建立有限元模型，缺陷處漏磁場強度進行仿真計算，得出以下結論：隨著缺陷深度的加深，其漏磁場法向磁感應強度信號幅值隨之增大，信號幅值與深度近似呈線性關系；激勵信號的頻率越大，鋼板背面缺陷的漏磁場信號幅值越小，與無傷處的差別也變小，檢測鋼板背面缺陷的激勵頻率應集中在低頻段。
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作者簡介：朱明 碩士 沈陽工業大學信息科學與工程學院學生
基金項目：國家自然基金儀表專項基金資助項目（60927004）
