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1、上海海事大学硕士学位论文 电磁层析成像探测金属结构裂纹关键问题的研究 I 摘要 基于感应原理的电磁层析成像（EMT）技术是 20 世纪 90 年代发展起来的新型 过程层析成像（PT）技术，由于它能以非接触的方式同时提供被测对象内部电导率 ()和磁导率()在成像截面上的二维分布，因而它在许多领域如石油、化工、矿冶、 地质勘测和工业参数检测等方面有着广泛的应用前景。目前 EMT 技术的发展处于实 验室开发与实际应用的中间阶段，许多科技工作者仍在致力于该项技术的研究，使 该项技术能尽快应用到实际生产领域中去。 本论文从 EMT 技术的基础理论出发，对 EMT 探测金属结构裂纹系统中某些关 键问题进行
2、了仿真分析。具体内容为： 1初步建立了 EMT 探测半无限大平板金属结构裂纹的数理模型。 2通过合理简化模型，选取单元类型，划分网格和施加边界条件，得到 EMT 传感系统的有限元模型，并进行求解。 3对 EMT 传感系统进行有限元分析，研究相关因素对 EMT 探伤系统性能的 影响。 文章得出的主要结论如下： （1）线圈提离高度增加，感应电势及磁感应强度变小，且穿过被测工件的磁力 线也减少。 （2）线圈激励频率越高，感应电势越大，但磁场的渗透深度越浅。 （3）在相同的仿真条件下，被测工件有裂纹时检测到的感应电势比无裂纹时检 测到的电势小，且裂纹处的空间磁场分布出现扰动峰值。 （4）裂纹宽度不变，
3、深度增加时，电势幅值变小，且当裂纹深度大于贯穿深度 时，检测到的电势幅值趋于恒定值。 （5）检测线圈内径增大其感应电势减小；外径增大感应电势增大。 （6）线圈的匝数密度越大，传感器的灵敏度越高，线性范围越大。 （7）被检材料变化时需重新设置传感系统参数。 关键词：电磁层析成像，正问题，ANSYS 仿真，电磁场分析 上海海事大学硕士学位论文 电磁层析成像探测金属结构裂纹关键问题的研究 II ABSTRACT The Electromagnetic Tomography Technology (EMT) based on induction principle developed from the
4、 early 1990s is a new Processing Tomography (PT) Technology which has a variety of potential applications, such as in fields of oil industry, chemical engineering, geology and medical diagnosis for its ability of estimating 2-D distribution of conductivity () or permeability () through a non- invasi
5、ve electrical tomographic sensor at the same time. EMT Technology is still in the inter-stage from laboratory to practice,and many IT workers over the world are dedicated to making the technology to be applied in industry as soon as possible. Based on the basic theory of EMT system , simulation anal
6、ysis is performed to some key problems in metal crak EMT testing system. The details including: 1.Both the mathematical and physical model of EMT system are built for detecting the metal crack. 2.A finite element model (FEM) of the EMT sensing system is established by simplifying the model reasonabl
7、y, choosing the unit type, dividing the grid and exerting the boundary condition. 3.Analysis of the influence of the important factors in the EMT sensing system is performed using finite element method,. The main achievements made in this thesis are listed as followes: (1)If the coil altitude is rai
8、sed,the induced EMF and magnetic induction intensity will decrease at the same time, so will the magnetic induction Iine through the detected workpiece. (2)The coil excitation frequency has great influence on the magnetic field penetration depth, the higher the former , the shallower the latter. (3)
9、Under the same simulation circumstances, the detected induced EMF is smaller of the cracked workpiece than that the crack-free one and the spatial magnetic field distribution of the crack spot has perturbation peak value. (4) If the crack depth is increased and its width is remained, the electric po
10、tential amplitude will decrease.And if the crack depth is bigger than penetration 上海海事大学硕士学位论文 电磁层析成像探测金属结构裂纹关键问题的研究 III depth, the detected electric potential amplitude will go to a constant. (5)If the detection coil internal diameter is increased, the Induced EMF will decrease,whereas if the exter
11、nal diameter is increased, the Induced EMF will increased. (6)The higher the coil number of windings is, the more sensitive the sensor is and the larger the linearity range is. (7) New parameters of the testing system needed to be set while tested material is changed . Keywords: Electromagnetic tomo
12、graphy, Forward problem, Ansys simulation, electromagnetic analysis 上海海事大学硕士学位论文 电磁层析成像探测金属结构裂纹关键问题的研究 IV 目 录 第一章 绪论1 1.1 金属结构裂纹检测技术概况1 1.1.1 裂纹的检测.1 1.1.2 金属结构裂纹检测研究现状.3 1.2 电磁层析成像技术简介4 1.2.1 过程层析成像技术的发展概况.4 1.2.2 电磁层析成像技术及其研究现状.5 1.2.3 电磁层析成像技术的应用前景.8 1.3 课题的来源及研究意义9 1.4 本课题的主要研究内容及论文框架9 第二章 电磁层析成
13、像检测系统基本理论11 2.1 电磁层析成像技术原理的定性分析11 2.1.1 工程电磁场基本理论.11 2.1.2 不同电磁性态物质与外加磁场的相互作用.12 2.2 电磁层析成像的正问题和逆问题14 2.2.1 EMT 正问题与逆问题的定性描述 14 2.2.2 电磁层析成像的正问题模型.15 2.2.3 电磁层析成像系统的逆问题.15 2.3 EMT 探测金属结构裂纹的数理基础.16 2.3.1 EMT 探测金属平板结构裂纹的物理模型 16 2.3.2 矢量磁位的计算.17 2.3.3 感应电压的计算.21 第三章 电磁层析成像检测的参数化有限元建模23 3.1 有限元建模理论23 3.
14、1.1 有限元仿真软件 ANSYS 介绍23 3.1 .2 APDL 简介 .23 3.1.3 建模的一般步骤和建模原则.24 3.2 EMT 传感系统有限元模型的建立.26 3.2.1 几何建模.27 上海海事大学硕士学位论文 电磁层析成像探测金属结构裂纹关键问题的研究 V 3.2.2 选择单元类型.28 3.2.3 定义实常数和材料属性.29 3.2.4 划分网格.30 3.2.5 定义边界条件.31 3.3 有限元模型的求解32 3.4 后处理32 3.4.1 感应电磁场磁力线分布图.33 3.4.2 求解感应电势.35 第四章 EMT 探测金属结构裂纹关键参数的分析和选取 36 4.1
15、 提离高度对检测结果的影响36 4.2 激励频率对检测结果的影响38 4.3 裂纹对检测结果的影响41 4.3.1 提离高度与感应电势的关系.43 4.3.2 裂纹深度与感应电势的关系.44 4.4 线圈尺寸参数对检测结果的影响45 4.4.1 线圈内径对检测结果的影响.45 4.4.2 线圈外径对检测结果的影响.46 4.4.3 线圈厚度对检测结果的影响.46 4.4.4 线圈匝数变化对检测结果的影响.47 4.5 被检材料对检测结果的影响48 4.5.1 不同磁导率物体的仿真分析.48 4.5.2 不同电导率物体的仿真分析.49 第五章 总结与展望51 5.1 主要工作总结51 5.2 对
16、未来工作的展望52 参考文献：53 致谢55 攻读硕士学位期间发表（录用）的论文56 上海海事大学硕士学位论文 电磁层析成像探测金属结构裂纹关键问题的研究 1 第一章 绪论 1.1 金属结构裂纹检测技术概况 1.1.1 裂纹的检测 裂纹的检测属于无损检测的范畴，无损检测（NDT ，Non-destructive testing） 是利用声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检对象使用性能的前提下，检 测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷的大小、位置、性质和数量等信 息，进而判定被检对象所处技术状态（如合格与否、剩余寿命等）的所有技术手段 的总称12。无损检测的最大特点就是能在不损坏试件材质、结构的前提下进行检测， 所以实施无损检测后，产品的检查率可以达到 100%。无损检测是工业发展必不可少 的有效工具，在一定程度上反应了一个国家的工业发展水平，其重要性已得到公认。 无损检测
