導語

省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室（河北工業大學）的研究人員劉素貞、王淑娟、張闖、金亮、楊慶新，在2020年第1期《電工技術學報》上撰文（論文標題為“鋼板電磁超聲表面波的仿真分析及缺陷定量檢測”），針對鐵磁性材料在電磁超聲檢測中存在磁致伸縮非線性及電磁超聲換能機制與被檢測材料具有相關性的問題，本課題組依據鐵磁材料的本構方程，優化了關于鐵磁材料的電磁超聲仿真模型，對不同的鋼板標準試件進行電磁超聲檢測研究，并應用于鋼板缺陷深度的定量檢測。

研究背景

鋼材廣泛應用于航空航天、高鐵制造、鐵路軌道、機械加工等領域。由于鋼板在制造過程中，原材料、制造設備、加工工藝等多因素造成金屬內部產生裂紋、分層、夾渣、腐蝕等各種缺陷。這些缺陷的存在會使鋼結構的使用壽命、強度、以及穩定性能急劇下降。因此鋼板缺陷的檢測和準確評估對提高設備的質量和可靠性具有重要意義。

論文所解決的問題及意義

電磁超聲換能器（EMAT）的換能機制與被測試材料的電磁特性密切相關，EMAT對不同電磁特性材料的響應不同。鐵磁材料具有磁致伸縮效應，磁致伸縮的非線性導致其電磁超聲換能機制變得復雜。

依據鐵磁材料的本構方程，考慮洛倫茲力、磁致伸縮效應和磁化力的共同作用，建立了含有矩形槽裂紋鋼板的電磁超聲換能器有限元模型，仿真分析了表面波對鋼板中缺陷的響應特性，得出缺陷深度與反射系數、透射系數的關系，為鋼板裂紋缺陷定量檢測奠定基礎。

同時，對標準試件的不同深度裂紋進行實驗研究，驗證了仿真分析的正確性和有效性，實現了對鋼板裂紋深度的電磁超聲定量檢測。

論文方法及創新點

鐵磁材料電磁超聲換能器（EMAT）的換能機制與外加磁場、材料的磁化特性和磁致伸縮特性有密切的關系，電磁超聲波的產生很大程度上取決于材料的電磁特性和偏置磁場。

本課題研究了材料磁化特性對電磁超聲換能機制的影響，準確分析了磁致伸縮效應，從而利用有限元軟件COMSOL建立更加完整的多場耦合的電磁超聲換能器鋼板缺陷檢測模型。

圖1 鋼板中電磁超聲表面波仿真模型

圖2 鋼的磁化曲線

結論

依據鐵磁材料的電磁特性以及本構方程對鋼板電磁超聲表面波換能器的換能機制進行了解耦和量化。通過有限元建模和仿真分析，研究了鋼板上磁感應強度和渦流密度的分布規律以及表面波的傳播特性，并得到了鋼板缺陷深度與波長之比和反射系數之間的關系。最后對標準裂紋試塊進行了實驗驗證，結果表明通過反射系數能夠定量檢測鋼板裂紋縱向深度，為鐵磁材料的缺陷定量檢測奠定基礎。

團隊介紹

劉素貞，博士，教授，博士生導師。天津市師德先進個人，國際電磁場數值計算學會(ICS)會員。主要從事工程電磁場與磁技術及應用研究。主持或主研國家重大基礎研究前期研究專項、國家自然科學基金、河北省自然科學基金、天津市自然科學基金等國家級、省部級項目15項。出版專著2部；發表學術論文70多篇，其中被SCI、EI收錄60多篇。