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      不同裂纹尺寸铝板的电磁声发射特性

      来源:http://kushang66.com??发布时间:2019-11-27 09:05??浏览量:返回列表

      随着社会经济、工业生产的蓬勃发展和科学技术的进步, 各种机械设备得到了越来越广泛的应用, 钢铁和铝等金属及其合金也得到了大量应用[1], 但由于承受载荷的复杂性和不确定性, 金属板材内部易出现结构损伤, 从而产生安全隐患[2], 对金属构件的安全评价及检测也变得非常重要。电磁声发射技术是近几年发展起来的一种全新的无损检测技术, 可以用来对金属薄板进行损伤检测及评价[3]

      美国物理声学公司的学者FINKEL等[4]首次激发出了电磁声发射信号, 并理论说明了确定电流脉冲和外部磁场参数的可能性。陈中剑等[5]在2005年利用有限元法对电磁声发射技术的耦合场进行了分析。张闯等[6]利用大电流直接加载的方式进行了声发射试验, 研究了脉冲大电流的幅值、持续时间等电磁加载参数的变化对电磁声发射信号的影响规律。金亮等[7]建立了电磁声发射有限元分析模型, 分析了缺陷顶点的形变随激励电流的变化规律, 论证了涡流激励声发射的可行性。

      笔者以实验室内建立的电磁声发射检测试验平台为基础[8], 利用多物理场仿真软件分析不同尺寸裂纹洛伦兹力的变化规律, 并对铝板裂纹进行了电磁声发射检测试验, 采用小波包分析方法对电磁声发射信号进行数据处理, 分析裂纹尺寸的变化对声发射信号的影响, 对仿真结果加以验证, 为电磁声发射技术的工程应用奠定了基础。

      1 电磁声发射有限元分析

      1.1 模型的建立及求解

      为了研究裂纹长度、深度对洛伦兹力的影响, 建立了有限元几何模型, 设置AC/DC模块中的磁场接口作为待求解物理场[9], 以及采用电路接口来模拟电路中的正弦激励电流。激励线圈为多匝空心圆柱线圈, 导线直径为0.5mm, 线圈内径、外径、高度分别为6, 10, 20mm, 线圈匝数为160。电磁激励电流、频率分别为5A, 25kHz, 线圈提离高度为1mm。线圈、铝板材料以及空气层选取COMSOL软件材料库中的Copper、Aluminum和Air。模型中线圈、铝板、裂纹以及空气层设置为同轴对称。网格划分采用自由剖分四面体网格, 设置瞬态求解器进行物理场求解[10]

      1.2 不同裂纹尺寸对洛伦兹力的影响

      裂纹尖端洛伦兹力分布云图如图1所示, 在裂纹尖端处有受力集中的现象。

      图1 裂纹尖端洛伦兹力分布云图

      图1 裂纹尖端洛伦兹力分布云图   下载原图

       

      研究不同裂纹尺寸对洛伦兹力变化的影响, 图2, 3分别为不同裂纹长度和深度下的裂纹尖端处的洛伦兹力密度曲线。在图2中, 裂纹长度分别为3.5, 4.0, 4.5, 5.0, 5.5mm, 裂纹深度、宽度分别为2, 0.5mm;在图3中, 裂纹深度分别为1, 2, 3, 4, 5mm, 裂纹长度、宽度分别为5, 0.5mm。观察曲线可知, 随着裂纹长度的增加, 裂纹尖端处所受的洛伦兹力逐渐变大;随着裂纹深度逐渐增加, 靠近试件表面1mm以内的洛伦兹力的变化趋势基本相同, 但根据力矩原理, 裂纹深度越大, 作用力的力臂越大, 洛伦兹力对裂纹的作用效果增强[11]

      图2 不同裂纹长度时裂纹尖端处的洛伦兹力密度曲线

      图2 不同裂纹长度时裂纹尖端处的洛伦兹力密度曲线   下载原图

       

      图3 不同裂纹深度时裂纹尖端处的洛伦兹力密度曲线

      图3 不同裂纹深度时裂纹尖端处的洛伦兹力密度曲线   下载原图

       

      2 试验方法

      对含不同长度和不同深度裂纹的两组试件进行电磁声发射试验。铝板试件表面裂纹外观如图4所示。通过电磁激励线圈在铝板内部激励产生脉冲信号, 再通过声发射系统采集、存储试验信号。

      图4 铝板试件表面裂纹外观

      图4 铝板试件表面裂纹外观   下载原图

       

      考虑到试验噪声的影响, 首先将激励线圈放置在无缺陷位置, 测量机械噪声以及电磁噪声, 得到无缺陷时的声发射信号, 然后对不同裂纹尺寸进行电磁声发射试验。图5, 6分别为不同裂纹长度和裂纹深度的声发射信号幅值变化曲线。可以看出, 当试件无缺陷时, 信号幅值仅为门槛值34dB, 而不同裂纹长度和不同裂纹深度情况下的幅值范围分别为37~38dB和38~40dB, 无明显的递变规律。所以在幅值的特性参数上, 可以判断试件有无缺陷, 但无法有效地分析出不同裂纹尺寸对电磁声发射信号的影响, 需要用信号处理的手段对记录的声发射信号波形进行分析, 深入研究声发射信号的特征, 确定不同裂纹尺寸对电磁声发射信号的影响。

      图5 不同裂纹长度时的试件声发射信号幅值变化曲线

      图5 不同裂纹长度时的试件声发射信号幅值变化曲线   下载原图

       

      图6 不同裂纹深度时的试件声发射信号幅值变化曲线

      图6 不同裂纹深度时的试件声发射信号幅值变化曲线   下载原图

       

      3 信号分析

      根据电磁声发射试验记录的信号波形, 对其进行快速傅里叶变化 (FFT) 得到频谱图。图7为无缺陷时声发射信号的频谱。可以看出, 当试件无缺陷时, 只有频率在25kHz左右时出现峰值现象;当试件存在缺陷时, 以裂纹尺寸3.5mm为例, 其声发射信号频谱如图8所示, 频率在80kHz左右时信号出现峰值现象。对其他裂纹尺寸的声发射信号波形进行FFT, 同样在80kHz左右时信号都有明显的峰值现象, 但由于频率在25kHz时存在峰值现象, 无法准确地判断其变化规律, 需要对该频率范围内的信号进一步研究, 即对该信号进行小波包分解, 得到此频率范围内的信号, 从而确定其变化规律。

      试验的采样频率为1MHz, 根据采样定理, 该声发射信号的频带范围为0~500kHz, 所以将此信号进行3层分解, 每阶信号的频带宽度为62.5kHz, 分解后的第三层第二阶分量频率范围62.5kHz~125kHz为主要研究的频率范围。根据原始信号的波形, 选择Symlets小波系中的sym6小波对声发射信号进行分解与重构, 对重构后的三层二阶分量的波形信号再次进行FFT, 得到裂纹长度为3.5mm时三层二阶分量的波形和频谱 (见图9) , 其中波形的峰值电压为9.911×10-4 V, 频谱的峰值电压为0.079 7V。

      图7 无缺陷时的声发射信号频谱

      图7 无缺陷时的声发射信号频谱   下载原图

       

      图8 裂纹长度为3.5mm时的声发射信号频谱

      图8 裂纹长度为3.5mm时的声发射信号频谱   下载原图

       

      图9 裂纹长度为3.5mm时的三层二阶分量波形及频谱

      图9 裂纹长度为3.5mm时的三层二阶分量波形及频谱   下载原图

       

      对其他裂纹尺寸的声发射信号进行小波包分解与重构, 得到波形峰值电压和频谱峰值电压曲线。图10, 11分别为不同裂纹长度的波形峰值电压和频谱峰值电压变化曲线。图12, 13分别为不同裂纹深度的波形峰值电压和频谱峰值电压变化曲线。可以看出, 随着裂纹长度或者裂纹深度的逐渐增加, 波形以及频谱的峰值电压也逐渐增大, 并且变化曲线的斜率逐渐变小。

      图1 0 不同裂纹长度的波形峰值电压变化曲线

      图1 0 不同裂纹长度的波形峰值电压变化曲线   下载原图

       

      图1 1 不同裂纹长度的频谱峰值电压变化曲线

      图1 1 不同裂纹长度的频谱峰值电压变化曲线   下载原图

       

      图1 2 不同裂纹深度的波形峰值电压变化曲线

      图1 2 不同裂纹深度的波形峰值电压变化曲线   下载原图

       

      图1 3 不同裂纹深度的频谱峰值电压变化曲线

      图1 3 不同裂纹深度的频谱峰值电压变化曲线   下载原图

       

      4 结论

      (1) 在确定激励线圈结构参数和电磁激励参数的情况下, 对含不同尺寸裂纹的铝板进行电磁场仿真分析得到:随着裂纹长度的逐渐增加, 裂纹尖端所受的洛伦兹力也逐渐变大;当裂纹深度改变时, 虽然靠近试件表面的裂纹尖端的受力情况相同, 但作用力臂变大, 力的作用效果同样变强;当裂纹深度到达1mm深度以后, 受力基本为0, 所以此种激励线圈的最佳检测深度为1mm。

      (2) 分析声发射信号的幅值特性参数可知:当试件无缺陷时, 幅值参数仅为门槛值, 低于试件存在缺陷时的幅值, 当裂纹尺寸变化时, 幅值参数没有明显的变化规律, 并在一定范围内上下波动。利用幅值的特性参数分析, 能够判别出试件有无缺陷, 无法有效识别缺陷的大小。

      (3) 对声发射信号的波形进行信号处理得到:试件无缺陷时, 频率在25kHz左右存在明显的峰值, 此为电磁声发射激励的载波;试件存在缺陷时, 频率在80kHz左右出现明显的峰值现象。利用小波包对该频段范围内的信号进行深入分析, 发现当裂纹长度或者裂纹深度增加时, 分解后的波形以及频谱的峰值电压也逐渐变大, 变化曲线的斜率逐渐变小。


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