脉冲涡流检测的三维有限元仿真研究

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脉冲涡流检测技术是一种新型的涡流检测技术。由于它的激励信号频谱宽广,并且不同频率分量对应不同的趋肤深度,使检测信号包含丰富的材料内部深度方向的信息,在航空航天、石油化工、核能电力等领域有着广阔的应用前景。因此对脉冲涡流检测技术的研究有着重要的意义。  对脉冲涡流检测的仿真可以指导脉冲涡流检测技术的研究。相对于实验研究,仿真所需的设备简单,研究成本低,研究过程更灵活,同时可以避免实验研究中不确定因素带来的干扰。基于这一点,本文以电磁场理论为基础,建立了脉冲涡流检测的仿真模型,应用有限元分析方法,使用FORTRAN语言编写程序,实现了含有磁芯探头扫描的脉冲涡流检测的三维仿真。通过与实验、理论解及二维轴对称仿真的结果对比,验证了三维仿真程序的可靠性。  在计算脉冲涡流检测的时域瞬态响应时,本文采用了傅里叶变换法。然而脉冲信号的频率成分非常多,传统的傅里叶变换法要对所有频率分量逐个进行计算,这对于求解规模庞大的三维有限元模型来说,计算量将是巨大的,需要消耗的计算时间也是不可接受的。本文分析了激励幅值不变的情况下,响应与激励频率的关系。在此基础上,采用插值策略,只需选取方波频率成分中的少数分量进行计算,其它分量的响应由插值快速得到。在保证计算精度的前提下,大大缩短了计算时间。  本文采用了分解区域算法代替传统的整体区域上的直接求解,不仅减小了网格规模,降低了计算机内存消耗,还在模拟磁芯探头扫描检测的问题中,避免了对模型重新划分网格。相应地,对于同一频率分量下的不同探头位置,刚度矩阵的产生和预处理只需进行一次。这样减少了工作量,提高了仿真效率。
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