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电磁超声检测技术的研究

作　者: 张路遥
导　师: 杨理践
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 电磁超声换能器 超声探伤 涡流场 洛仑兹力场 有限元仿真
分类号: TH878.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 270次
引　用: 2次
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内容摘要


超声波探伤是无损检测的重要手段之一。电磁超声换能器(EMAT,Electro- magnetic Acoustic/Ultrasonic Transducer)是一种新型的超声发射接收装置。由于其具有众多优点受到广大无损检测人员的关注,其最大的特点是不需要耦合剂、无接触、分辨率高,同时它比传统压电超声换能器更容易激励各种不同模式的超声波。论文深入研究了电磁超声的理论基础,讨论了EMAT所涉及的三个物理场:电磁场,机械应力场和超声波场,并将麦克斯韦方程组与弹性动力学方程相结合,推导了EMAT的声学控制方程。讨论了固体中的几种常见的超声波型,着重研究了各种波型在传播过程中,介质质点的振动轨迹。对电磁超声检测的探头进行了初步的设计,讨论了不同形式的线圈对产生超声波的影响,比较了永磁体和两种电磁铁的激磁形式,选择了回折线圈和永磁体来组成检测探头。论文深入研究了有限元仿真计算法,并用有限元仿真软件ANSYS对EMAT产生超声波的过程进行了仿真。提出将EMAT产生超声波的过程分割为三部分以简化有限元求解的思想。将永磁体与高频线圈的不同组合进行仿真,按照所受洛仑兹力方向推测不同形式的换能器所产生的波型。得到了在永磁体提供的偏置磁场和高频线圈产生涡流的共同作用下,工件的质点受到交变的洛伦兹力作用,通过改变高频线圈中的频率可以实现对洛伦兹力频率的调节,质点以这个频率振动并向远处传播,由于所受力方向大小的不同,质点振动的轨迹不同,产生不同形式的超声波的结论。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章 绪论  10-20
  1.1 电磁超声检测技术的研究意义  10-11
  1.2 电磁超声检测技术及其特点  11-12
  1.3 电磁超声检测在工业中的应用  12-16
  1.4 电磁超声检测技术在国内外的发展  16-18
  1.5 论文的主要工作及章节安排  18-20
    1.5.1 论文的主要工作  18-19
    1.5.2 章节安排  19-20
第二章 电磁超声基本理论  20-38
  2.1 EMAT 中的电磁场  20
  2.2 EMAT 中的机械力场  20-29
    2.2.1 非铁磁性材料在磁场中的力  20-23
    2.2.2 磁性材料在磁场中的力  23-26
    2.2.3 材料的磁致伸缩效应  26-28
    2.2.4 材料中的洛伦兹力  28-29
  2.3 EMAT 中的声学振动的弹性动力方程——超声波场  29
  2.4 EMAT 系统的完整方程式  29-30
  2.5 EMAT 系统的边界条件  30-32
  2.6 固体中超声波的类型  32-37
    2.6.1 纵波  33
    2.6.2 横波  33
    2.6.3 Lamb 波  33-35
    2.6.4 表面波  35-36
    2.6.5 SH 波  36-37
  2.7 本章小结  37-38
第三章 电磁超声检测探头的设计  38-45
  3.1 高频线圈的设计  38-42
  3.2 磁体的设计  42-44
    3.2.1 永磁体激励  42
    3.2.2 电磁铁激励  42-43
    3.2.3 磁体的选择  43-44
  3.3 本章小结  44-45
第四章 EMAT 的有限元仿真研究  45-65
  4.1 有限元仿真方法的研究  45-49
    4.1.1 有限元的建模过程  46
    4.1.2 区域的离散  46-47
    4.1.3 选择插值函数  47
    4.1.4 建立方程组  47
    4.1.5 线性方程组的求解  47-49
  4.2 有限元分析软件—ANSYS  49-50
  4.3 EMAT 的ANSYS 仿真分析  50-52
  4.4 仿真模式的选择  52
  4.5 永磁体产生偏执磁场  52-55
    4.5.1 偏置磁场仿真建模  52-54
    4.5.2 偏置磁场仿真求解  54
    4.5.3 偏置磁场仿真结果分析  54-55
  4.6 工件表面感生涡流和洛伦兹力  55-63
    4.6.1 涡流和洛仑兹力仿真建模  55-56
    4.6.2 涡流和洛仑兹力仿真求解  56-57
    4.6.3 涡流和洛仑兹力仿真结果分析  57-62
    4.6.4 提离距离和线间距对感生涡流的影响  62-63
  4.7 振动产生超声波  63-64
  4.8 本章小结  64-65
第五章 结论  65-66
参考文献  66-69
在学研究成果  69-70
附录  70-77
致谢  77

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 材料试验机与试验仪器 > 无损探伤仪器 > 超声波探伤仪
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