电磁超声导波理论与应用PDF电子书下载

第1章 电磁超声换能器 1

1.1 概述 1

1.2 EMAT的研究现状 2

1.2.1 EMAT的结构 2

1.2.2 EMAT换能机理及分析方法 4

1.3 EMAT的优化设计及其新型结构 7

1.3.1 回折线圈的优化设计 7

1.3.2 多簇线圈轴向导波EMAT 15

1.3.3 用于非铁磁材料检测的SH导波EMAT 24

1.3.4 EMAT阻抗匹配电容的计算 27

第2章 基于洛伦兹力机理的EMAT分析方法 30

2.1 基于洛伦兹力机理EMAT的多场耦合方程 30

2.1.1 永磁体的磁场方程 30

2.1.2 脉冲涡流动态磁场方程 31

2.1.3 被测试样质点平衡运动方程 32

2.1.4 超声信号接收方程 33

2.2 耦合场方程的弱形式 33

2.2.1 二维直角坐标下耦合方程的弱形式 33

2.2.2 轴对称坐标系下耦合方程的弱形式 35

2.3 基于COMSOL Multiphysics的EMAT有限元仿真 37

2.3.1 采用COMSOLMultiphysics进行EMAT仿真计算的步骤 37

2.3.2 数值仿真计算实例与试验验证 38

2.4 螺旋形线圈EMAT的解析建模与计算 46

2.4.1 螺旋形线圈EMAT的结构 46

2.4.2 频域求解 47

2.4.3 时域解 52

2.4.4 结果比较及讨论 52

2.5 回折形线圈EMAT的解析建模与计算 56

2.5.1 线圈结构及等效模型 56

2.5.2 线圈阻抗和磁场的频域计算 57

2.5.3 脉冲磁场的时域计算 63

2.5.4 计算实例及结果比较 63

2.6 脉冲电压激励下EMAT的分析方法 67

2.6.1 采用解析公式计算脉冲电流 67

2.6.2 采用场路耦合有限元方法计算脉冲电流 67

2.6.3 采用场路耦合有限元法实现线圈电流计算的实例 69

第3章 基于磁致伸缩机理的EMAT分析方法 71

3.1 铁磁材料的磁化和磁致伸缩特性 71

3.1.1 铁磁材料的磁化特性和磁导率 71

3.1.2 铁磁材料的磁致伸缩特性 72

3.2 基于磁致伸缩机理EMAT的有限元分析方法 74

3.2.1 基本物理方程 74

3.2.2 二维直角坐标下磁致伸缩力和磁致伸缩电流密度的计算 76

3.2.3 轴对称坐标下磁致伸缩力和磁致伸缩电流密度的计算 78

3.2.4 压磁系数的确定 80

3.2.5 基于磁致伸缩机理EMAT的数值仿真计算 84

3.3 SH导波EMAT的解析建模和计算 92

3.4 管道轴向导波EMAT的解析建模与计算 96

3.4.1 δ线圈矢量磁位 96

3.4.2 矩形截面线圈的矢量磁位 99

3.4.3 线圈阻抗、涡流和磁感应强度 100

3.4.4 仅考虑一层导体的情况 101

3.4.5 管道轴向导波EMAT中的磁弹性关系 103

3.4.6 T模式导波的脉冲磁场计算 103

第4章 平板和管道周向超声导波的传播特性 106

4.1 平板Lamb波的频散特性和波结构特性 106

4.1.1 平板Lamb波的频散特性 107

4.1.2 平板Lamb波的波结构特性 108

4.2 平板SH导波的频散特性和波结构特性 110

4.2.1 平板SH导波的频散特性 110

4.2.2 平板SH导波的波结构特性 111

4.3 管道周向Lamb波的频散特性和波结构特性 112

4.3.1 管道周向Lamb波的频散方程及其求解 112

4.3.2 管道周向Lamb波的波结构特性 116

4.4 管道周向SH导波的频散特性和波结构特性 120

4.4.1 管道周向SH导波的频散方程及其求解 120

4.4.2 管道周向SH导波波结构特性 123

4.5 平板导波与管道周向导波传播特性比较 126

第5章 超声导波与缺陷作用的边界元仿真 128

5.1 平板外表面缺陷混合边界元模型 128

5.2 弹性动力积分方程及其基础解 129

5.3 边界积分方程及其离散化数值求解 130

5.3.1 矩阵G中元素的求解 132

5.3.2 矩阵H中元素的求解 134

5.4 基于模式展开的边界条件建立 135

5.5 边界元程序的结构 141

5.6 计算精度的影响因素 143

5.6.1 模型长度的扫查 143

5.6.2 边界单元大小的扫查 146

5.7 板端反射的计算 147

5.8 平板外表面缺陷仿真 149

5.8.1 平板外表面裂纹缺陷深度扫查 150

5.8.2 平板外表面裂纹缺陷宽度扫查 152

5.8.3 平板外表面裂纹缺陷频厚积扫查 152

5.9 平板内部裂纹缺陷模型和数值仿真 154

5.9.1 平板对称内部裂纹缺陷高度扫查 155

5.9.2 平板内部裂纹缺陷宽度扫查 156

5.9.3 平板内部裂纹缺陷频厚积扫查 158

5.9.4 平板内部裂纹缺陷在板厚方向移动的扫查 160

5.10 电磁超声导波检测裂纹量化方法 161

第6章 超声导波的有限元仿真 167

6.1 显式积分有限元方法 167

6.2 平板Lamb波的有限元仿真 168

6.2.1 弹性平板中Lamb波方程的建立 168

6.2.2 平板Lamb波有限元仿真方法 169

6.2.3 平板Lamb波仿真算例 172

6.3 管道周向Lamb波的有限元仿真 175

6.3.1 管道周向Lamb波频散方程的建立 175

6.3.2 管道周向Lamb波有限元仿真方法 178

6.3.3 管道周向Lamb波仿真算例 179

6.4 管道轴向L类型导波的有限元仿真 186

6.5 管道轴向T类型导波的有限元仿真 189

第7章 电磁超声导波检测技术的应用 192

7.1 电磁超声测厚 192

7.1.1 电磁超声测厚原理 192

7.1.2 电磁超声测厚装置结构 193

7.1.3 电磁超声测厚装置硬件电路 193

7.1.4 电磁超声测厚回波信号分析和处理 195

7.2 管道轴向电磁超声导波检测 197

7.2.1 管道轴向超声导波电磁超声换能器 197

7.2.2 电磁超声激励源和滤波放大器 200

7.2.3 电磁超声轴向导波检测实验及其影响因素 201

7.3 天然气管道裂纹电磁超声导波检测 209

7.3.1 检测器总体结构 209

7.3.2 相关检测实验 211

参考文献 213