河北工业大学刘素贞团队特稿：钢板电磁超声表面波的仿真分析及缺陷定量检测

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导语

省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室（河北工业大学）的研究人员刘素贞、王淑娟、张闯、金亮、杨庆新，在2020年第1期《电工技术学报》上撰文，针对铁磁性材料在电磁超声检测中存在磁致伸缩非线性及电磁超声换能机制与被检测材料具有相关性的问题，本课题组依据铁磁材料的本构方程，优化了关于铁磁材料的电磁超声仿真模型，对不同的钢板标准试件进行电磁超声检测研究，并应用于钢板缺陷深度的定量检测。

研究背景

钢材广泛应用于航空航天、高铁制造、铁路轨道、机械加工等领域。由于钢板在制造过程中，原材料、制造设备、加工工艺等多因素造成金属内部产生裂纹、分层、夹渣、腐蚀等各种缺陷。这些缺陷的存在会使钢结构的使用寿命、强度、以及稳定性能急剧下降。因此钢板缺陷的检测和准确评估对提高设备的质量和可靠性具有重要意义。

论文所解决的问题及意义

电磁超声换能器（EMAT）的换能机制与被测试材料的电磁特性密切相关，EMAT对不同电磁特性材料的响应不同。铁磁材料具有磁致伸缩效应，磁致伸缩的非线性导致其电磁超声换能机制变得复杂。

依据铁磁材料的本构方程，考虑洛伦兹力、磁致伸缩效应和磁化力的共同作用，建立了含有矩形槽裂纹钢板的电磁超声换能器有限元模型，仿真分析了表面波对钢板中缺陷的响应特性，得出缺陷深度与反射系数、透射系数的关系，为钢板裂纹缺陷定量检测奠定基础。

同时，对标准试件的不同深度裂纹进行实验研究，验证了仿真分析的正确性和有效性，实现了对钢板裂纹深度的电磁超声定量检测。

论文方法及创新点

铁磁材料电磁超声换能器（EMAT）的换能机制与外加磁场、材料的磁化特性和磁致伸缩特性有密切的关系，电磁超声波的产生很大程度上取决于材料的电磁特性和偏置磁场。

本课题研究了材料磁化特性对电磁超声换能机制的影响，准确分析了磁致伸缩效应，从而利用有限元软件COMSOL建立更加完整的多场耦合的电磁超声换能器钢板缺陷检测模型。

图1  钢板中电磁超声表面波仿真模型

图2  钢的磁化曲线

结论

依据铁磁材料的电磁特性以及本构方程对钢板电磁超声表面波换能器的换能机制进行了解耦和量化。通过有限元建模和仿真分析，研究了钢板上磁感应强度和涡流密度的分布规律以及表面波的传播特性，并得到了钢板缺陷深度与波长之比和反射系数之间的关系。最后对标准裂纹试块进行了实验验证，结果表明通过反射系数能够定量检测钢板裂纹纵向深度，为铁磁材料的缺陷定量检测奠定基础。

团队介绍

刘素贞，博士，教授，博士生导师。天津市师德先进个人，国际电磁场数值计算学会(ICS)会员。主要从事工程电磁场与磁技术及应用研究。主持或主研国家重大基础研究前期研究专项、国家自然科学基金、河北省自然科学基金、天津市自然科学基金等国家级、省部级项目15项。出版专著2部；发表学术论文70多篇，其中被SCI、EI收录60多篇。

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