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船用鋼板在造船工業(yè)中應(yīng)用廣泛，若鋼板存在缺陷將嚴(yán)重影響船舶運(yùn)行的可靠性。為了保證船舶航行的安全，延長船舶的使用周期和壽命，必須對船用鋼板進(jìn)行役前和在役定期檢測，以便及時修復(fù)或更換存在缺陷的構(gòu)件。目前，對船用鋼板檢測的技術(shù)主要有超聲檢測、渦流檢測、射線檢測、滲透著色、磁粉檢測和漏磁檢測等。漏磁檢測的原理是鋼板在外加磁場的作用下磁化，材料內(nèi)的缺陷(如裂紋、腐蝕)，磁導(dǎo)率遠(yuǎn)比鐵磁材料本身要小很多，局部磁阻增加，這樣就致使磁力線發(fā)生彎曲，部分磁力線泄漏出材料表面，產(chǎn)生擴(kuò)散漏磁場。利用磁敏感元件探測漏磁場，即可獲取缺陷特征信息。漏磁檢測法不需要藕合劑，不受表面油污及非磁性雜物的影響，檢測速度快、靈敏度高、可靠性好，且檢測結(jié)果能提供金屬材料表面腐蝕缺陷和裂紋的狀態(tài)信息。
Lord等首次使用有限元分析的方法對漏磁檢測時的磁場分布進(jìn)行計算，得出了缺陷大小和漏磁信號之間的關(guān)系。 Atherton則計算了輸油管道內(nèi)外壁缺陷對漏磁信號的影響，并進(jìn)行了相關(guān)驗證，以計算結(jié)果作為選擇磁化方式的依據(jù)。Mitsuaki提出了漏磁檢測的有限元分析時磁驪的建模方法。然而，國內(nèi)外大部分研究是以二維模型為基礎(chǔ)，且進(jìn)行了一些簡化，如設(shè)定磁驪(即銜鐵)的磁導(dǎo)率為常數(shù)。本研究將通過構(gòu)建三維模型來進(jìn)行漏磁檢測的有限元分析。
鋼板漏磁檢測傳感器主要由勵磁裝置、磁敏元件和驅(qū)動裝置等構(gòu)成。
勵磁裝置由調(diào)節(jié)螺栓、銜鐵和永久磁鐵等組成。永久磁鐵、銜鐵、磁化間隙與被測鋼板一起構(gòu)成主磁路，實現(xiàn)對鋼板的磁化。為提高勵磁磁路性能，選用高剩磁、高矯頑力的錢鐵硼稀土永磁為材料。在勵磁磁路中銜鐵來改變磁力線的方向，從而能夠減小磁回路系統(tǒng)的磁阻，能夠增大關(guān)鍵零部件的磁通密度。在恒定磁場的磁路設(shè)計中，銜鐵材料可選用工業(yè)純鐵和低碳鋼，使被測鋼板內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大于1.4T，以保證較高準(zhǔn)確率。磁敏元件實現(xiàn)磁電信號的轉(zhuǎn)換，可以采用線圈、霍爾器件、磁敏二極管、磁敏電阻、磁通門、巨磁阻傳感器等。目前比較常用的傳感器元件為線圈和霍爾器件。
為了給測試系統(tǒng)的檢測性能和缺陷標(biāo)定，加工制作了標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行實驗。試件采用厚度為10 mm的普通低碳鋼板，板上加工5處標(biāo)準(zhǔn)傷，分別為：20 %深，8 mm寬的長通槽和20 % , 40 %，60 %，80%深的球形凹陷。試件標(biāo)準(zhǔn)傷具有較好的代表性，與船用鋼板的腐蝕和裂紋缺陷相似。實驗中將標(biāo)準(zhǔn)試件缺陷面向下放置，同時檢測系統(tǒng)置于板面，依次檢測以上各種缺陷。
經(jīng)簡化后的傳感系統(tǒng)模型。模型關(guān)于X-Z面和Y-Z面對稱，故只取其1/4模型進(jìn)行說明。被測鋼板置于傳感系統(tǒng)下方，永磁體采用錢鐵硼材料，與鋼質(zhì)支架共同構(gòu)成了磁化裝置。與支架緊貼面為N極，與被測鋼板靠近面S極。由永磁體、被測鋼板和鋼質(zhì)支架構(gòu)成了磁回路，可將被測鋼板磁化并達(dá)到檢測要求。
船用鋼板的有限元網(wǎng)格模型中整體的鋼板部分采用立方體單元進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分。由于模型關(guān)于X-Z面和Y-Z面對稱，故在X-Z面和Y-Z面的單元節(jié)點(diǎn)上施加了對稱邊界條件。空氣層則采用四面體單元進(jìn)行自由劃分，且在空氣邊界上施加了遠(yuǎn)場邊界條件。
對傳感系統(tǒng)的有限元模型，施加相應(yīng)的邊界條件，進(jìn)行靜態(tài)電磁場分析，可以得到磁力線和磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布情況。
在鋼板的中間部位，磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)到1.4T，滿足了漏磁檢測的要求。鋼板中間部位的磁場分布比較均勻，呈近似的均恒磁場狀態(tài)，如果鋼板中存在缺陷，則部分磁力線將由空氣中通過，傳感器正是檢測泄漏到空氣中的磁場變化來判斷此處是否存在缺陷。
漏磁檢測實驗在鋼板上進(jìn)行。實驗儀器為9VI ART-2004智能型多功能電磁檢測儀，16通道雙線圈差動式漏磁傳感器。實驗所得漏磁信號曲線。由于采用的線圈式傳感器對磁通密度的變化率敏感，且是雙線圈信號值相減取其差動量，故體現(xiàn)在實際檢測信號上為兩波峰一波谷。在無缺陷處，信號為一條平整的直線，缺陷處，信號幅值產(chǎn)生正負(fù)跳變。試件上的5種模擬缺陷在檢測信號上都有體現(xiàn)。如2 mm深的長通槽在16個通道中均有信號突變。其他球形凹陷信號在第9通道最為顯著，其他通道依次遞減，說明缺陷的中心位置處于第9通道的覆蓋面。
漏磁檢測用于船用鋼板缺陷探傷，具有速度快、靈敏度高、可靠性好的優(yōu)點(diǎn)。本研究利用ANSYS軟件進(jìn)行船用鋼板漏磁檢測的三維有限元分析，得出了船用鋼板磁化后的磁場分布狀態(tài)，滿足了漏磁檢測的要求。同時，計算出缺陷與磁場分布之間的對應(yīng)關(guān)系曲線，根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度對缺陷的位置和基本特征進(jìn)行判斷。實驗結(jié)果證明有限元計算的結(jié)果是可靠的。
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