文摘
涡流检测过程中表层和次表层的缺陷的(ECT)航空铝合金板、参数的设置对测试结果很重要。测试参数不当会导致错误的检测,甚至错过了检测的缺陷。为了解决这个问题,探测类型的影响,线圈大小和激励频率的准确识别和定量评价表面和亚表面缺陷检测进行了研究和分析研究,以确定最佳的测试参数。实验结果表明,绝对探针的外半径3.3毫米航空铝合金板具有更好的检测性能的缺陷。有不同的最优激励频率范围的表层和次表层的缺陷。80千赫至90千赫的激发频率可用于检测未知的缺陷。
1。介绍
铝合金材料广泛应用于制造民用航空器的皮瓣、皮,和其他结构部件由于其优势,如低密度、高强度、良好的加工性能,耐腐蚀性强。据统计,在普通的民用航空飞机,使用铝合金材料总重量的60%以上的飞机。然而,由于服务环境的影响和长期高负载操作,各种腐蚀和疲劳裂纹缺陷不可避免地发生在飞机。飞机缺陷的存在会导致安全隐患的飞机结构以及主要的安全威胁和经济损失。因此,它是至关重要的探测、识别、准确地量化缺陷铝合金板。
在各种无损检测(NDT)技术,涡流检测(ECT)是最适合的腐蚀和疲劳裂纹检测飞机铝合金板由于其检测速度快,检测范围宽,易于自动化,和更高的检测性能的表层和次表层的缺陷检测对象(1- - - - - -5]。通过结合主成分分析和k - means分类,金等人进行了更深的裂缝的特征提取飞机实现缺陷检测和位置(6]。基于时频分析的脉冲涡流缺陷检测信号,结合k - means聚类和期望最大化,Hosseini和拉基意识到地下的分布缺陷的自动检测每一层的多层铝合金板结构(7]。他等人意识到分层缺陷的自动检测飞机的两层铝合金板结构基于构造缺陷特征和支持向量机分类算法,并进一步研究了不同发射距离对检测结果的影响(8]。李等人研究了铝合金板的内部缺陷检测基于脉冲调制涡流,从而提高了检测性能的地下缺陷(9]。地下缺陷检测的铝合金板、Perumal等人从多个励磁频率进行了模拟分析,并结合激励频率的优化,可以位于不同的次表层缺陷的深度(10]。燕等人使用了改进的算法来确定缺陷的边缘等铝合金材料的形象,改善腐蚀边缘检测的准确性在涂料(11]。考虑边缘效应的影响在缺陷检测、谢等人进行了有限元仿真设计的探头参数提高缺陷检测边缘的能力(12]。此外,对于缺陷检测,一些研究已经进行调查的组合类型和缺陷扫描方法。
然而,在现有的铝合金板材料的缺陷检测的研究,大多数的研究都是基于单一检测参数优化和检测信号处理算法的缺陷检测和定量分析(13- - - - - -16),因此内部缺陷检测精度不足和缺陷边缘提取。从检测参数,在这项研究中,我们分析探测类型的影响,线圈大小和激励频率的表面和亚表面缺陷检测航空铝合金板和建立一个有限元模型来优化检测参数。本文的其余部分组织如下:首先,分析了探头线圈设计的理论方法2。第二,有限元模型的构造等,以及一些测试参数设置部分3。其次,详细分析了仿真结果4。最后,结论和进一步的研究中概述部分5。
2。理论方法
等是一种无损检测方法基于测试导线的电磁性质的变化来分析其属性和缺陷。这种方法是基于电磁理论。当一定频率的电流流入励磁线圈,电磁感应作用下,生成感应涡流检测导体。此外,感生涡流生成一个检测线圈磁场和反应,从而影响线圈的电压和电流。
等线圈是由多个转金属漆包线;因此,电感线圈本身。此外,还有电阻之间的绕组漆包线,以及耦合电容器之间的线圈。在实际的检测和计算,每个的线圈之间的分布电容通常是忽略。可以表示为一个线圈电感的串联电路和阻力 ,的复数阻抗线圈本身可以表示为
作用下的感生涡流兴奋的励磁线圈,导线可以表示为一个二次电路中电感和电阻组成的系列。复杂的阻抗线圈的等效阻抗的影响的导体。
和等效电感和电阻的导体被测试,线圈之间的互感和导体,然后呢可以表示为
是耦合系数,它与发射线圈和导体之间的距离。导体的电磁性质的变化影响它的等效阻抗,因此,影响检测线圈的复数阻抗。电导率、磁导率、缺陷和厚度(表)的导线可以通过收集和分析检测线圈的阻抗信号。
ECT探头线圈的设计应该遵循适当的电感值,电阻值,更高值(即。,quality factor, )。多圈的线圈,不考虑的影响漆包线的结果之间的电容,电感正比于匝数的平方的线圈,
, ,和外半径,半径内,线圈的高度,分别和漆包线的直径。
线圈的电阻本身可以按照下列公式计算:
它可以观察到从上面的方程,当确定线圈的线,是由励磁频率和线圈的大小。在缺陷检测过程中,如果线圈明显小,线圈的励磁电流必须相应减少。此外,如果励磁电流明显小,检测感应信号降低,进而导致缺陷信号被淹没在噪声,因此无法获得一个有效的检测信号。然而,如果线圈半径增加,一个相当大的创建一个线圈检测到缺陷边缘之间的区别和实际缺陷边缘;因此,缺陷边缘检测变得困难。
ECT的表层和次表层的缺陷的航空铝合金板,在这项研究中,我们模拟和优化探测类型,线圈半径,和激发频率提高缺陷检测和缺陷边缘识别的准确性。
3所示。仿真实验建模
准确分析探测类型的影响,线圈大小,和激发频率表面和亚表面缺陷检测的准确性和边缘识别的航空铝合金板的有限元模型等基于COMSOL multiphysical领域仿真平台构建在这项研究中,如图1。仿真模型包括一个铝合金试样、涡流探头,真空领域。在这个模型中,不同的参数,如探针类型,线圈大小,和激发频率进行了计算和模拟。的深度和位置的缺陷试样和线圈的大小根据不同的研究内容。
本研究的样本是6000系列铝合金板厚度为5毫米,其中包含大小不同的缺陷。线圈是由铜漆包线和放置在标本。线圈之间的距离和标本被设置为1毫米。仿真模型材料的电磁特性如表所示1。
前的模拟计算,模型应该和分成多个元素相吻合。有必要考虑啮合时同时计算的精度和效率。元素是越小,计算精度越高,计算时间会相应增加。考虑到检验对象构造是一个铝合金薄板,较小的分格没有显著增加计算时间;因此,采用极细网格生成在这项研究中,如图2。
基于啮合参数的组合扫描和频域分析被用于仿真计算。缺陷的扫描路径模拟过程如图1。假设缺陷为中心,左右都是25毫米扫描的缺陷,和扫描步骤是0.5毫米。仿真解决方案后,线圈阻抗在不同的位置和频率。
3.1。线圈结构的模拟
的过程中疲劳裂纹检测和分析飞机铝合金板、不同的探头类型影响缺陷检测和边缘识别的准确性。常见的涡流探头的选择包括绝对和微分类型。如图3,激发和接收线圈是绝对的相同调查。在图4的励磁微分探针由两个反向连接的线圈,和接收线圈放置两个励磁线圈(微分激发)。另一种形式的微分探针接收线圈是完成两reverse-connected线圈和励磁线圈放置在中间的接收线圈,即微分信号。与微分接收探测器相比,微分激发调查表现出更强的抗干扰。因此,微分激励探针用于仿真实验分析缺陷检测的研究。
根据方程(6),它可以观察到,品质因数是由线圈的电感和电阻,可以进一步转化为与线圈大小之间的关系。考虑到检测对象的缺陷铝合金板、线圈高度的变化并不影响缺陷边缘的检测。质量因素是进一步简化为内部和外部之间的关系圈的直径。内外半径范围是1 - 4毫米,2 - 5毫米,分别计算和相应的线圈质量因素。结果如图所示5。
从简化计算结果,质量因素是外半径的影响。外半径越大,质量越高的因素。质量的因素并不是影响线圈内半径的变化。当内半径外半径的比值小于0.6,它可以被认为是一个适当的范围内。然而,在缺陷检测的过程中,我们应该能够准确地识别存在的缺陷,以及准确地识别缺陷的边缘的检测信号,为了使定量分析的缺陷。因此,外径越大的线圈用于缺陷检测不是更好。
在缺陷扫描图所示1,有必要准确地识别的缺陷及其边缘信息检测信号。研究不同探针选择缺陷边缘识别的影响,2毫米和20毫米缺陷与不同宽度设置,和仿真参数表中列出2。
研究探测器的线圈大小适合航空铝合金板裂纹缺陷检测,扫描线圈与不同大小的实验进行了仿真模型构造图1。实验参数如表所示3;七个线圈外半径大小不同的设置,当内部线圈的半径外半径的0.3 ~ 0.6倍,适当的品质因数的线圈可以保证17]。
3.2。模拟励磁频率
由于集肤效应的涡流,涡流的穿透深度与激发频率的增加急剧下降。如果激励频率明显小,ECT信号缺陷的解决变得不足,很难准确地识别缺陷。如果激励频率相当大,更深层次的缺陷不能被探测到,过度激励频率导致涡流信号更容易受到噪声干扰。因此,它是必要的,以确定更合适的激励频率对航空铝合金板的缺陷检测。
四个表面缺陷,建立了地下不同深度缺陷的航空铝合金板、扫频和缺陷进行检测。不同大小的缺陷图所示6和仿真参数如表所示4。
(一)表面缺陷
(b)地下的缺陷
4所示。实验结果分析
4.1。线圈结构的仿真分析
根据仿真参数设置表2,扫描结果不同的探测器类型缺陷检测的基础上,构造仿真模型图所示7和8,分别。水平和垂直轴表示探测器的位置和阻抗值,分别在水平轴代表了缺陷中心和0。扫描结果的绝对探测缺陷图7,缺陷信号在整个面积可以清楚地识别,和缺陷的边缘信息可以准确地反映在扫描信号。然而,在微分探针的扫描结果缺陷如图8,涡流信号有多个向上和向下的趋势在缺陷区域,和缺陷区域和边缘信息的缺陷不能明确确定扫描信号。它可以观察到,绝对探测器适用于缺陷检测和定量分析。
根据上述分析,检测信号需要满足简单的缺陷识别和边缘检测同时在缺陷检测,精确的缺陷分类和定量分析。缺陷检测信号的模拟,得到的阻抗不同缺陷的检测线圈和nondefect之间的比例扫描点的缺陷实际缺陷区域面积计算由扫描信号。根据笔记在图7,和计算如下:
仿真解决方案是根据表中设置的参数进行的3,和计算结果不同的外半径的解决方案。仿真和计算结果如图9。
如图9,线圈的外半径的增加,阻抗的区别也逐渐增加;也就是说,一个更大的线圈半径有利于缺陷的检测。然而,比例随线圈半径的增加;线圈半径越大,越难识别的缺陷检测信号的边缘信息。从仿真结果的综合分析,当线圈的外半径为3.3毫米,缺陷检测和识别边缘都可以获得更高的精度。
4.2。激励频率的仿真分析
根据仿真参数设置表4的参数进行扫描检测表层和次表层的缺陷,以及阻抗的区别缺陷和nondefect之间使用构造仿真模型计算。表面缺陷和内部缺陷的检测结果数据所示10和11,分别。
表面缺陷的仿真结果如图10,对于不同深度的缺陷,阻抗的区别激振力频率的增加而增加。然而,随着表面缺陷深度的增加,阻抗的区别往往是稳定在较高的频率,没有增加的趋势。缺陷越深,越早它显示了一个稳定的趋势。
在地下缺陷的仿真结果如图11,阻抗的变化差异是复杂的。在一定的激发频率范围内,阻抗值的缺陷大于nondefect;阻抗的区别是正的。激励频率的增加,阻抗差异逐渐减少。阻抗的区别的缺陷S1-S4在不同激励频率为0;即阻抗值的缺陷等于nondefect。当激励频率的增加,缺陷的阻抗值小于nondefect,和阻抗的区别是负的。
根据前面的分析,在等的过程中,不同缺陷之间的信号差异越大,越有利于识别、分类和定量分析的缺陷。进一步确定缺陷检测的最优激励频率的航空铝合金板、阻抗计算相邻缺陷之间的差异。计算不同表面缺陷和内部缺陷数据所示12和13,分别。
表面缺陷的阻抗差异统计图所示12,相邻的阻抗不同缺陷下六励磁频率的80 kHz, 90 kHz, 100 kHz, 200 kHz, 300 kHz, 400 kHz, 500 kHz进行了分析。它可以观察到,随着缺陷深度的增加,阻抗差异相应激励频率减少,和更深的缺陷的阻抗值小于浅层缺陷激发更高的频率。结合数据分析10和12表面缺陷的航空铝合金板、激励频率可以达到准确检测效果在80赫兹到400赫兹的范围。
同样,为了准确地分类、识别和定量分析各种地下缺陷,相邻缺陷的阻抗差异分析从六个励磁频率50 kHz, 60 kHz, 70 kHz, 80 kHz,和90 kHz,如图13。在浅层地下缺陷,如1毫米,2毫米,和3毫米深缺陷,阻抗差异随激励频率的增加。然而,当缺陷深度3 - 4毫米,激励频率是50 kHz,浅的阻抗值大于缺陷深度的缺陷,这也进一步导致缺陷分类和识别困难以及定量评价。
通过综合分析缺陷检测的最优激励频率如图12和13、表面缺陷和内部缺陷可以达到良好的检测结果激发80 kHz ~ 90 kHz的频率范围。在实际的缺陷检测过程中,80 kHz ~ 90 kHz励磁频率可以用来初步判断缺陷类型,然后调整激励频率对不同类型的缺陷收集缺陷信号实现准确识别、分类和定量分析的缺陷。等参数的仿真分析结果对航空铝合金板缺陷表中列出5。
当ECT技术被用于航空铝合金板的缺陷检测,绝对探针的外半径3.3毫米作为探针,与内部线圈的半径小于其外半径的0.6倍。这个时候,探测器可以同时满足缺陷检测和边缘识别的准确性。此外,对于激发频率的设置在缺陷检测中,表层和次表层的缺陷的频率适应范围是80 ~ 400 kHz和60 ~ 90 kHz,分别。80 ~ 90 kHz的激发频率可用于检测实现准确检测,识别和定量分析的缺陷。
5。结论
解决问题的表层和次表层的缺陷检测和定量分析的航空铝合金板,全面进行了模拟优化分析使用探测类型,线圈大小和激发频率。与微分探针相比,绝对的探针具有更好的可辨认性缺陷和缺陷边缘检测能力。同时,当外半径是3.3毫米,绝对探针可以进一步提高缺陷检测能力和缺陷边缘检测精度。此外,对于80千赫到90千赫的激励频率范围,未知的缺陷的检测能力进一步加强。缺陷检测的参数设置的优化分析通过仿真建模可以指导调查设计和激励频率设置在实际检测过程。此外,它可以促进应用程序的计算机辅助设计和优化航空铝合金涡流检测的缺陷。本文的未来的工作将继续来自两个方面:首先,我们将把模拟信号和智能算法来进一步提高缺陷边缘识别的准确性;此后,我们将验证和改善它与被测信号。第二,我们将结合仿真模型和测量信号来研究不同的扫描路径对缺陷检测的影响。
数据可用性
(数据。rar]数据用于支持这项研究的结果已经存入“阿里云”服务器存储库(http://120.76.226.240/KH_AnCore/data.rar),和其他研究人员可以从这个URL下载原始数据。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是支持的应用基础研究项目科学技术委员会授予2019 fb081下云南的基础。