基于模态振型的结构损伤识别

基于模态振型的结构损伤识别 基于脉冲漏磁理论的铁磁性 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 斜裂纹检测 左宪章，常 东，钱苏敏，费骏骉，张 韬 (军械工程学院 电气工程系,河北石家庄 050003) 摘 要:在广泛应用于各行各业的铁磁性材料中,由于应力和环境等因素的作用,裂纹是其最常见的缺陷 之一,且多以不规则的形状,如斜裂纹,存在。为了分析斜裂纹的脉冲漏磁信号特点,建立了脉冲漏磁检测斜 裂纹的有限元仿真模型,对比分析了斜裂纹与垂直裂纹的脉冲漏磁信号的差异,提取并研究了相关特征量与斜 裂纹尺寸的关系。同时,利用脉冲漏磁检测系统对几种斜裂纹进行了实验,检测结果与仿真分析结果一致,验 证了利用脉冲漏磁检测斜裂纹的可行性,为下一步对斜裂纹的定量检测提供了理论指导。 关键词:铁磁材料,斜裂纹,脉冲漏磁,有限元仿真 中图分类号:TG115.28 文献标识码:A 文章编号:1001-3830(2012)04-0058-05 Angular crack detection of ferromagnetic material based on pulsed magnetic flux leakage ZUO Xian-zhang, CHANG Dong, QIAN Su-min, FEI Jun-biao, ZHANG Tao Department of Electrical Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China Abstract: Ferromagnetic materials were widely used in various applications, in which crack is one of the most common defects caused by stress and environment factors. It usually has irregular shape such as the oblique crack. In this paper, pulsed magnetic flux leakage was used to detect the cracks. The finite element model was established to analyze the characteristics of pulse magnetic flux leakage signals of angular defect. Comparing the signal of angular defect with rectangular defect, some features were extracted to recognize the angular crack. Then several experiments were carried out which detect the angular cracks with the pulsed magnetic flux leakage inspection system. The experimental result were consistent with the simulation one. It verifies the feasibility of detection angular crack with pulsed magnetic flux leakage and provides a theoretical guidance for the quantitative detection of angular cracks in ferromagnetic materials. Key words: ferromagnetic material; angular defect; pulsed magnetic flux leakage; finite element simulation Magnetic Flux Leakage，PMFL) 结合了脉冲涡流检 1 引言 测 (Pulsed Eddy Current，PEC) 与传统漏磁检测 铁磁性材料作为一种强磁性物质，具有良好的 (Magnetic Flux Leakage，MFL) 的特点，和传统漏 强度、硬度、塑性和韧性，而被广泛应用于石油化 磁检测相比，丰富了检测信号中包含的缺陷信息， 工、航空航天、交通运输、机械制造、能源、国防 在铁磁性材料缺陷的定量评估方面体现出了潜在 [1,2]等各领域。机械设备中许多关键部件都由铁磁材料 优势，因而成为目前无损检测中一个热点研究 制成，这些部件在应力或环境的作用下很容易产生 方向。 裂纹，尤其是各种几何形状不规则的裂纹，因此对 目前国内外对铁磁材料裂纹的检测主要集中 [3,4]裂纹的检测进行研究对于安全生产有着重要的现 于垂直裂纹的研究，而实际的缺陷大多具有比 实意义。近年发展起来的脉冲漏磁检测(Pulsed 较复杂的几何结构，比如各种角度的斜裂纹。陈智 [5]军仿真分析了基于漏磁信号的钢轨斜裂纹的识 [6]别，Abidin进行了斜裂纹涡流分布的仿真和实验 收稿日期:2011-11-10 修回日期:2012-01-13 通讯作者:左宪章 E-mail: zuoxianzhang@163.com 研究。本文将脉冲漏磁理论应用于铁磁性材料的斜 磁轭 裂纹检测，利用有限元仿真分析软件 COMSOL 50mm 50mm 50mm 50mm Multiphysics 3.5a，建立有限元仿真模型，对斜裂纹 的 PMFL 信号特点进行分析，对比分析了斜裂纹与 线圈 50mm 垂直裂纹的脉冲漏磁信号的差异，提取并研究了相 探头关特征量与斜裂纹尺寸的关系，并通过实验验证了 分析的正确性。 钢试件 图 2 脉冲漏磁传感器有限元模型 2 脉冲漏磁裂纹检测原理 有效裂纹宽度 裂纹宽度脉冲漏磁检测裂纹的原理如图 1 所示:脉冲激 角度励信号是占空比一定的方波，加载到绕制于磁轭上 裂纹深度的激励线圈中，从而在磁路中产生脉冲瞬态磁场。 若材料中没有裂纹，绝大部分磁力线将通过材料， 在材料中均匀分布;若材料中存在裂纹，由于裂纹 (a) (b) (c) (d) 处的磁导率远小于材料本身的磁导率，裂纹处磁阻 铁磁材料斜裂纹模型图 3增大，从而使通过裂纹的磁力线发生畸变形成漏磁 场，其漏磁场的变化，使置于被测试件 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面的检测 组裂纹。图 a 为常见的矩形裂纹(90? )，在研究斜 探头上所感应的瞬态电压随之变化，分析瞬态电压 裂纹时作为参考进行对比分析;图 b 为 45? 斜裂纹; [7,8]信号可以获得裂纹的信息。 图 c 为有效宽度相同、深度不同的斜裂纹，其角度 分别为 22.5?、45?、67.5?，用于研究斜裂纹深度的 影响;图 d 为深度相同、有效宽度不同的斜裂纹， 其角度分别为 22.5?、45?、67.5?，用于研究斜裂纹 宽度的影响。所有裂纹开口宽度都为 0.5mm。 3.2 斜裂纹与垂直裂纹 PMFL 信号的差异 为了解斜裂纹 PMFL 信号的分布特点，以矩形 裂纹和 45?斜 裂 纹作 为研 究 对象，两 种裂纹的深 度都在 2,8 mm 变化，分别提取其漏磁信号。矩 形裂纹与45?斜裂纹的 PMFL 信号的水平分量分布 分别如图 4a 和 4b 所示，法向分量分布分别如图 5a 和 5b 所示。 观察矩形裂纹的漏磁信号波形可 以看出，矩形 裂纹的水平分量 B始终为正值，波峰的位置位于 x 图 1 脉冲漏磁检测系统 裂纹开口的中心，水平分量的幅值为裂纹深度和宽 度的函数。矩形裂纹的法向分量 B有正负两个波 y 3 仿真分析 峰，波峰的位置正好在裂纹的边沿;由于裂纹的对 3.1 有限元模型 称性，磁通密度垂直分量的波峰是关于裂纹中心线 采用有限元分析软件 COMSOL 对称的，并且在裂纹中心线位置的值为零;波峰间 Multiphysics 3.5a 建立了如图 2 所示的传感器模型。传感器采用 U 型磁轭，两个极靴上分别为由线径 0.35mm 的铜 线绕制 400 匝的矩形激励线圈。霍尔检测探头置于 的横轴距离(峰间距)和正负峰值之差(峰-峰值) 两磁极的中间。激励脉冲电流选择幅值 0.5A, 频率 [9] 为裂纹宽度和深度的函数。为 50Hz，占空比为 50%。被测试件长度为 180mm， 斜裂纹由于 本身结构的 不对称性造 成了 厚度为 20mm。 PMFL 信号波形的不对称。比较图 4a 和 4b 可以发 为了探究铁磁材料中不同角度的裂纹存在时 现，斜裂纹水平分量 B的波峰的位置发生了向左 磁场的分布情况，分析不同角度裂纹 PMFL 信号与 x 偏移，角度相同时其偏移量也相同，而偏移的方向 裂纹几何尺寸的关系，分别建立了如图 3 所示的几 (在中心线的左侧还是右侧)取决于斜裂纹的倾斜方 015 0.025 2515 深深 =2mm 深深 =2mm 深深=4mm 深深=4mm 0.02 20 深深=6mm 深深=6mm 深深=8mm 深深=8mm.01 10/mT/mT 磁通密度 B xx 15磁通密度 B0.015 100.01 005 5 磁通密度 B磁通密度 B 50.005 0 0 -3 -2 -1 0 1 2 3 0 1 -3 -2 -1 2 3 距离/mm 距离/mm (a)矩形裂纹(b)45?斜裂纹 图 4 矩形裂纹与 45?斜裂纹 PMFL 信号水平分量 02 8 20 =2mm深深 深深 =2mm =4mm 深深6 15 15 深深 =4mm 深深 =6mm 深深 =6mm4 深深 =8mm 深深 =8mm01 10 /mT 磁通密度 B /mT /mTy y2 505 0 0 0-2 05 -5-4 01 -6 -10 -8 -1515 0 1 -3 -2 -1 2 3 -3 -2 -1 0 1 2 3 距离/mm 距离/mm (b)45?斜裂纹 (a)矩形裂纹 图 5矩形裂纹与 45?斜裂纹 PMFL 信号法向分量 25 2 20 角深=22.5? 角深=22.5? 155 角深=45? 角深=45? 02 20 角深=67.5? 角深=67.5? 101 /mT 磁通密度 B yx 1515 55 00 1001 5 -5 05 5 1 -10 -150 5 -3 -2 -1 0 1 2 3 -3 -2 -1 0 1 2 3 距离/mm /mm 距离 (b)垂直分量 B (a)水平分量 B yx 图 6有效宽度相等、不同角度的 PMFL 信号 3.3 斜裂纹 PMFL 信号分析 向，裂纹底部向左倾斜，则波峰向左侧偏移且其峰 值随着裂纹深度的增加而增大。比较图 5a 和 5b 可 为了分析斜裂纹的几何尺寸对 PMFL 信号的 以看出，在斜裂纹的 B分量中，正峰值与负峰值 影响，分别 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了两组不同类型的斜裂纹模型研究 y 之间出现了显著的不对称，正峰值明显增大，负峰 裂纹深度和宽度对信号的影响。一组宽度相同，深 度变化，如图 3c 所示;另一组深度相同，宽度变 值明显减小，两个峰值孰大孰小同样与斜裂纹的倾 斜方向有关，过零点的位置也不再位于裂纹开口的 化，如图 3d 所示。 中心线。 以图 3c 模型为研究对象，裂纹有效宽度都为 综上所述，斜裂纹与矩形裂纹漏磁信号的差异 4mm，深度变化(角度等差改变)，其脉冲漏磁信 在于，水平分量 B的不对称和法向分量 B的正负 和 B分量分别如图 6a 和 6b 所示，漏磁信 号的 Bx y x y 峰值的不对称。通过 B波峰出现的位置和 B正负 号的峰值随角度的增大而增大，B分量负峰的右偏 x y y 峰值间孰大孰小可以定性判断出斜裂纹的倾斜方 移量增大。以图 3d 模型为研究对象，裂纹深度都 向。 0.02 25 2524 20 角深=22.5? 角深=22.5? 角深=45? 等等 角深=45?角深=67.5? 等深 22 0. 015 15 20 角深=67.5?02 ) T ( 02 /mT 0.01 x10 /mT /mT By xy 15 磁通密度 B15 18 磁磁磁 005 5 0. 16 1001 0 014 05 5 .005 深 -5 12 -0 0 1001 -0.01 -100 1 -3 -2 -1 2 3 -1 0 1 -3 -2 2 3 20 30 40 50 60 70 距离/mm 距离/mm角度/(?) (b)垂直分量 B y(a)水平分量 B x图 8 分量峰值斜裂纹 B x 图 7深度相等、不同角度的 PMFL 信号 0.62 3 30 3003 正正正 正正正 0.6 负正正 负正正 255 2525 Vp-p 0.58 Vp-p 2002 2 20 0.56 磁通密度 B1515 /mT 5 15/mT 磁通密度 B y0.54 y m 01 m) 10 ( 距 1 0.52 10 间 0 5 50.5 正 5 5 00 0.48 0 0磁通密度 B -505 0.46 5 -5 -1001 0.44 1 15 0. -1042 -1520 30 40 50 60 70 20 35 40 45 50 5525 30 60 65 70 40 20 30 50 60 70 (c) 角度/(?) (a)等宽(b)等深 图 9 斜裂纹(a)等宽及(b)等深 B峰值、谷值、峰-峰值、(c)峰谷值间隔 y 为 4mm，有效宽度变化，其脉冲漏磁信号的 B和 x B分量分别如图 7a 和 7b 所示，漏磁信号的峰值随 y 角度的增大而减小，B分量负峰的右偏移量减小。 y 轴间距/mm 磁通密度 B 为了进一步检验利用脉冲漏磁技术检测斜裂 纹的可行性，对脉冲漏磁信号的水平分量和法向分 量分别提取相关特征量，如图 8 和 9 所示。 图 8 所示为两组模型 B分量的峰值变化曲线， x 图 10 检测裂纹的钢质试件及传感器 可以发现其峰值分别随深度和宽度的增加而增大。 图 9 所示为两组模型的 B分量的峰值、谷值、峰 y 表 1 斜裂纹参数 峰值、峰谷值间隔的变化曲线。比较图 9a 和 9b 可 裂纹 1裂纹 2裂纹 3裂纹 4裂纹 5裂纹 6以发现，B的峰值、谷值、峰-峰值在宽度一定时， y 4 5 10 5 1.5 0.5 深度/mm 随深度的增加逐渐增加，而在深度一定时，其值同 1.5 12 10 5 1.5 0.5 有效宽度/mm 样随宽度的增加而增加。可以作为特征量对斜裂纹 67.5 22.5 45 45 45 90 角度/(?) 的宽度和深度进行分析。观察图 9c，B的峰谷值 y 间隔与角度具有较好的线性关系。因此，可以通过 采集一次数据，然后将霍尔检测元件检测的漏磁信测量峰谷值间距对裂纹的角度进行识别。 号转换为电压信号传到电脑中。 实验样品采用 350mm×50mm×15mm 的钢板试 件(如图 10)，试件表面人工加工了六个不同角度 4 实验研究 的斜裂纹，裂纹长宽尺寸均为 50mm×0.4mm，裂 4.1 实验条件 纹与试件表面角度和长度见表 1。 传感器采用 U 型磁轭，在两个磁极上都有缠 与仿真分析对应，实验缺陷分四组:深度相同 绕线圈，霍尔检测探头置于两磁极的中间，两磁极 的裂纹 2 和 4;有效宽度相同的裂纹 1 和 5;角度 上分别缠绕 400 匝线圈。对激励线圈施加频率为 50Hz、幅值为 0.6A、占空比为 50%的脉冲方波。 相同的裂纹 3、4 和 5;以及作为参考的矩形裂纹 6。 检测装置在试件表面垂直于裂纹移动，步长 0.1mm 4.2 试验结果 观察曲线形状可以发现，斜裂纹漏磁信号的法 1 1 裂裂 2 裂裂 3 0.8 0.8 裂裂 4 裂裂 4 裂裂 5 0.6 0.6 ) ) 0.4 0.4 (v (v 0.2 0.2 信信 0 0 信 信 L L F F -0.2 -0.2 PPM -0.4 -0.4 M -0.6 -0.6 -0.8 -0.8 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 距距(mm)距距(mm)距离/mm 距离/mm 裂纹 、 裂纹 、、 (a) 24(b) 345 0.8 0.08 裂裂1 裂裂 6 0.06 裂裂50.6 0.04 0.4 ) ) (v (v 0.02 0.2 信信 0 信 信 0 L L -0.02 F F -0.2 PPM -0.04 PMFL 信号/V PMFL 信号/V M -0.4 -0.06 -0.6 -0.08 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 距距 (mm)距距(mm)距离/mm 距离/mm (c) 裂纹 1、5 (d) 裂纹 6 图 11 斜裂纹 PMFL 信号测试结果 defect detection and characterization [J]. NDT&E 向分量仍然是双峰曲线，正负峰值的不对称性证实International, 2007, 40: 275-283. 了斜裂纹的存在;同时根据峰值的孰大孰小可以判 Sophian A, Tian G, Zairi S. Pulsed magnetic flux leakage [2] 断出裂纹的倾斜方向，正峰值较大时裂纹向左倾斜。 techniques for crack detection and characterization [J]. 由图 11a 可以发现，当裂纹深度相同、宽度不同时， Sendors and Actuators A, 2006,125:186 -191. 峰谷值间距与宽度成正比;图 11b 为斜裂纹角度相 Wang Y, Xu Y, Ding S, et al. Numerical simulation and [3] 同、深度变化时的曲线，深度越深 PMFL 信号幅值 experiment on magnetic flux leakage inspection of cracks 越大;图 11c 所示宽度相同、深度不同时峰-峰值是 in steels [A]. China: 17th World Conference on PMFL 信号/V PMFL 信号/V 裂纹深度的函数，深度越深峰-峰值越大;图 11d 为 Nondestructive Testing, 2008. Li X, Li X, Chen L, et al. Numerical simulation and [4] 矩形裂纹的 PMFL 信号曲线，信号正负峰值对称分 experiments of magnetic flux leakage inspection in 布，过零点位于裂纹开口的中心线上。根据几组斜 pipeline steel [J]. Journal of Mechanical Science and 裂纹的检测结果可见，与仿真分析结果一致。 Technology, 2009, 23: 109-113. 陈智军，宣建青，王平，等. 基于漏磁信号的钢轨斜裂[5] 纹识别[J]. 无损检测，2010，32(11):842-846. Abidin I. Modelling and experimental investigation of 5 结论 [6] eddy current distribution for angular defect 通过仿真分析和实验验证可知，利用脉冲漏磁 characterisation [D], England: Newcastle University, 2010. 检测斜裂纹是可行的。提取的几个特征量可以对斜 Chen T, Tian G, Sophian A, et al. Feature extraction and [7] 裂纹进行定量识别。对于裂纹的脉冲漏磁信号法向 selection for defect classification of pulsed eddy current NDT [J]. NDT&E International, 2008,41(6):467-476. 分量，其双峰的不对称性可以判断是否为斜裂纹， Huang Z, Que P, Chen L. 3D FEM analysis in mengnetic [8] 其峰-峰值为裂纹深度的函数，过零点位置及峰值的 flux leakage method [J]. NDT&E International, 2006, 孰大孰小可作为裂纹倾斜方向的特征量，峰间距为 39(1): 61-66. 斜裂纹宽度和深度的函数。 [9] 张国光. 管道漏磁检测中漏磁信号与缺陷特征关系的 研究[J]. 化工自动化及仪表，2008，35(2):39-41. 参考文献: 作者简介:左宪章(1963,),男,硕士,教授,主要从事 methods for [1] John W, Tian G. Pulsed electromagnetic 电磁无损检测方面的研究。