PDF《涡流脉冲热像检测中金属疲劳裂纹的生热分析》

2019 385 模型定义主要由建立几何模型的建立、初始变量 和材料属性的定义、物理场和耦合关联的设置以及网 格的划分

4 部分组成. 图2含疲劳裂纹的

45 钢平板试件 Fig.2

45 steel flat specimen with fatigue cracks 几何模型是对介质层、被测对象和电磁线圈

3 部 分进行建模,按照每一部分的实际尺寸建立对应的几 何模型.线圈材料为高纯铜,被测对象材料为

45 钢, 线圈与被测对象之间的介质层为空气,具体物理参数 设置参考表 1.选用 AC/DC 模块中的电-磁-热耦合接 口建立三维电磁场模型.模型各部分的网格单元尺寸 参数如表

2 进行设置. 2)配置求解器 采用时域瞬态直接线性求解器.时间步长采用向 后差分法,最大步长设置为 0.1 ms,初始步长为 0.01 ms, 全局绝对容差设定为 0.001. 同时, 采用 PARDISO 算法以增强求解器的鲁棒性和快速收敛能力. 表1模型各部分材料的物理参数 Table

1 Physical parameters of each part of the model Material Density/(kg・m?3 ) Thermal conductivity / (W/(m・K)) Conductivity/(S/m) Relatively magnetic permeability Specific heat capacity /(J/(kg・K)) Cu

8700 400 5.9?107

1 385 45steel

7750 50.2 5.0?106

400 480 Air 1.2 0.0257 1.0?10-5

1 1000 表2模型各部分的网格单元尺寸参数 Table

2 Grid unit size parameters for each part of the model Maximum unit size /mm Minimum unit size/mm Maximum cell growth rate Curvature factor Narrow area resolution Specimen

8 0.08 1.3 0.2

1 Coil

32 4 1.45 0.5 0.6 Air

40 7.2 1.5 0.6 0.5 3)求解及结果后处理 利用求解器进行求解的运算,其计算结果会在 Results 模块中显示,然后根据需要添加查看结果信 息,如果结果不理想,则返回重新设置参数,重新进 行分析计算,一直到结果理想为止.

3 实验与仿真结果分析 3.1 实验条件下的裂纹生热 图3 所示为激励时间为200 ms、 激励强度为100%、 提离距离为

10 mm 的实验条件下对裂纹试件进行检测 的红外热像图,图中的黑色框线内为裂纹区域[14] ,颜 色越亮表示温度越高,分别取裂纹区域内 A、B、C 三 个点进行热响应信号分析,图4所示为这

3 点的温度 随着时间帧数的变化曲线.从图中可以看出:在通过 涡流脉冲对试件进行检测时,同一时刻越靠近裂纹根 部的位置,温升(即激励结束时刻与激励开始时刻的 差值)越大;

在激励过程中,裂纹区域的温升逐渐升 高,当激励结束时,裂纹区域的温升则具有逐渐下降 趋势,并且呈现先迅速后缓慢的下降速度. 图3涡流脉冲实验中的红外热像图 Fig.3 Infrared thermography of ECPT experiment 第41 卷第4期红外技术Vol.41 No.4

2019 年4月Infrared Technology Apr.

2019 386

0 50

100 150

200 250

300 350

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

1 时间/ms 温度 / ℃ A B C 图4裂纹区域被测点的温升变化曲线 Fig.4 Temperature rise curve of the measured point in the crack area 3.2 仿真条件下的裂纹生热 图5所示为通过仿真得到的某一时刻裂纹区域的 温度分布图像,同样地,取A、B、C 三点做进一步 分析. 图6所示为 A、B、C 三点的温度随着时间帧数的 变化曲线.从图中可以看出:在使用涡流脉冲热像技 术对试件进行仿真时,同一时刻越靠近裂纹根部的点, 温升的最大值越大;

在激励过程中,裂纹区域的温升 逐渐升高,当激励结束时,裂纹区域的温升则具有逐 渐下降趋势,并且呈现先迅速后缓慢的下降速度. 图5仿真条件下裂纹区域的温度分布 Fig.5 Temperature distribution of crack region under simulation conditions