基于涡流热成像的铁磁材料近表面微裂纹检测

采用涡流热成像技术,对铁磁材料近表面微裂纹进行了检测研究。提出了平行激励热传导方式检测近表面微裂纹的检测方法;数值计算模拟了涡流激励下裂纹处的生热过程,分析了裂纹处的温度分布及其对检测结果的影响;采用平行激励方式对含近表面微裂纹的铁磁材料进行了检测实验,通过提取试件表面温度分布数据,获取其变化速率曲线,实现了对裂纹的检测和识别。结果表明:涡流热成像平行激励方式能够准确地检测到铁磁材料近表面的微裂纹缺陷;选择适当的涡流激励时间有助于提高裂纹处与非裂纹处温度对比,增强检测效果。该方法的研究为近表面微裂纹的检测和定量识别奠定了基础。     

脉冲涡流热成像裂纹检测机理仿真分析

脉冲涡流热成像技术由于在导电材料缺陷检测中的优势而成为无损检测的热点。本文运用电磁感应原理及热传导理论,建立感应加热数学模型,利用有限元法分析电磁激励热成像检测缺陷的机理。利用COMSOL有限元软件建模分析了导磁材料和非导磁材料中两种基本裂纹slot和notch附近涡流场和温度场的分布情况,通过分析裂纹附近涡流密度大小和温度场的变化曲线,指出检测导磁和非导磁材料裂纹的最佳观测时间以及温度响应,为下一步的裂纹定量检测提供理论指导。     

钢板表面裂纹的脉冲涡流热成像定量检测

裂纹是钢铁材料的常见缺陷之一,研究了脉冲涡流热成像技术对钢板表面裂纹的定量检测。对带有表面浅槽型裂纹的45#钢进行了感应加热实验,分析了裂纹附近的温度分布和温度响应。与温升大小相比,温度响应的曲线形态与裂纹深度间的定量关系更加清晰,曲线的形态特征可由傅里叶积分的基频相位提取。引入最小二乘支持向量机完成了裂纹几何轮廓的重构,比较了将裂纹的相位轮廓和温度轮廓分别作为支持向量机输入时的重构结果,发现相位轮廓更加适用于表面裂纹的定量检测。     

基于阵列热风激励的航发叶片近表面缺陷红外检测方法

航空发动机叶片的三维曲面结构、复杂的材料特性和特殊的冷却通道等,给叶片近表面缺陷的检测带来了困难。针对热激励源加热不均导致检测的红外热图效果差、缺陷识别率低的问题,提出了一种阵列热风激励的主动红外检测方法,改进并搭建一套可调阵列热风红外无损检测实验平台。通过设计阵列热风激励与局部热风激励的对比实验,并采用Canny算子进行缺陷边缘识别,证明了阵列热风激励主动红外检测方法的优势。通过实验分析不同材料下含裂纹试件的温度变化规律。实验结果表明：随热扩散系数增大,温升出现越早,表面最大温度呈下降趋势。通过利用检测实验平台对航空发动机叶片进行检测,揭示了导热性和隔热性缺陷的温度分布规律;其中导热性、隔热性和两者混合类型的缺陷检出率分别达到86.7%、93.3%、90%,也表明阵列热风激励红外检测方法能有效检测出航发叶片中的裂纹缺陷。     

钢轨轨底裂纹红外热波无损检测数值模拟分析

针对传统超声波检测方法的不足,本文提出红外热波无损检测技术检测钢轨轨脚两侧的裂纹,在ANSYS有限元分析软件中对钢轨轨脚裂纹红外热波无损检测实验进行了数值模拟分析,并搭建了钢轨裂纹红外热波检测实验的实验平台,对仿真结果进行了验证.钢轨轨底裂纹红外热波无损检测实验仿真主要包括3部分:建立钢轨实体模型并对其进行网格划分,热流密度模拟热波载荷施加在钢轨轨脚表面进行求解分析,对求解结果生成钢轨轨脚表面的温度分布云图和温度随时间变化曲线图.仿真与实验结果表明:红外热波无损检测方法可以弥补传统超生波检测方法的不足,可以检测得到钢轨轨底两侧的裂纹.     

涡流脉冲热像检测中金属疲劳裂纹的生热分析

涡流脉冲热像技术是一种将电磁生热和红外热成像相结合的新型无损检测技术.针对金属疲劳裂纹生热研究不深入的问题,本文以含有贯穿的疲劳裂纹金属平板试件为研究对象,搭建了涡流脉冲热像检测实验系统,并建立了涡流脉冲热像有限元模型,分析了涡流脉冲热像检测中裂纹生热的规律.研究结果表明:在红外热像中,同一时刻越靠近裂纹根部的位置,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.进一步揭示了裂纹尺寸对裂纹区域温升的影响.     

涡流脉冲热像技术中检测条件的粒子群优化

涡流脉冲热像检测中的检测条件优化是最大化裂纹区域生热量以充分发挥检测系统性能的重要保证。针对检测条件选择人工依赖性强等问题,以含有特定尺寸疲劳裂纹的金属平板试件为研究对象,采用仿真和实验相结合的方法,分析了检测条件对裂纹热响应的影响特点,结果表明:裂纹热响应随着激励时间、激励强度的增加而增强;随着提离距离的增加呈现先增强后减弱的趋势。基于仿真与实验结果,提出了一种用于估算特定检测条件下裂纹热响应的多元非线性回归模型,确定了裂纹热响应与不同检测条件之间的定量化关系。最终引入粒子群优化算法进行了检测条件优化,给出了热响应分布图和检出概率分布图。研究成果为涡流脉冲热像检测中的检测条件优化提供理论指导。     

基于脉冲涡流热成像的下表面缺陷评估

针对目前金属材料在高频涡流的激励下,趋肤深度十分小,可视为表面加热,试件下表面缺陷难以被捕捉的现象,提出了基于脉冲涡流热成像纵向热传导的方法来对其下表面缺陷进行识别,同时根据曲线斜率变化来对下表面缺陷进行量化研究。针对铁磁性、非铁磁性材料,通过有限元仿真以及实验验证的方法进行研究。结果表明：当缺陷处横向宽度与剩余厚度之比大于2时,热传导的纵向传导效应会大于横向传导效应,在材料表面形成明显的温度差,从而实现下表面缺陷的检测,并根据温度响应曲线斜率的线性变化与非线性变化所对应的时间点来定量分析缺陷深度之间的关系。     

超声红外热像技术中金属平板裂纹的生热特性

超声红外热像技术是一种新型无损检测技术,缺陷区域生热特性的研究有利于最优化检测方案的制定。实验分析表明:超声激励作用于含贯穿裂纹的金属平板时,与激励同侧的裂纹区域温度升高比异侧更明显,但裂纹面总体的生热效率稳定。针对上述实验现象,采用显式有限元方法建立了与实验系统对应的仿真模型,进行了机热耦合分析。在仿真模型中,采用压电-力类比方法模拟超声换能器的逆压电效应,并引入动态松弛模拟预紧力对被测平板初始状态的影响。仿真与实验结果得到了一致的裂纹区域温度分布和裂纹面生热规律,建立了裂纹面生热效率与裂纹面摩擦力及相对运动速度之间的联系,揭示了工具杆和被测平板之间的预紧力使裂纹面接触状态改变是裂纹生热向激励同侧偏移的直接原因。     

硅外延生长高频感应系统的热场仿真

应用多物理场分析工具COMSOL Multiphysics软件中的磁场和固体传热两种模块,建立了平板式外延炉反应腔体的有限元模型.结合高频感应加热的机理,分析了电磁场与热场耦合作用,重点研究了感应加热系统中线圈结构、电流密度和频率对热场分布的影响.模拟结果表明,高频感应系统呈现出明显的趋肤效应,感应电流主要集中在基座下表层,焦耳效应主要发生在涡流区,基座上部的热量来源于热传导.实验中,通过调节感应线圈横向和纵向的位置,改变了磁通密度的分布,从而决定了腔体内的热场分布.根据模拟仿真结构,对外延工艺的温度分布进行优化,实现了热场的径向温度梯度变化小于10℃,在此条件下,硅外延片电阻率的标准偏差为0.56％.     

基于横向热传导的下表面缺陷检测

脉冲涡流热成像缺陷检测技术可以对铁磁性材料试件进行快速准确地检测。针对下表面裂纹检测比较困难的问题,本文利用横向热传导的方法检测缺陷。结果表明,下表面裂纹能阻碍热量的横向传递,深度越大阻碍作用越强。通过对采样温度进行标准化处理,试件内部初始温度不同对检测结果带来的影响得到抑制,提高了缺陷检测效率。横向热传导是检测下表面缺陷的一种有效方法。     

Dynamic generation of spin-wave currents in hybrid structures

Spin transport through the interface in a semiconductor/ferromagnetic insulator hybrid structure is studied by the nonequilibrium statistical operator method under conditions of the spin Seebeck effect. The effective parameter approach in which each examined subsystem (conduction electrons, magnons, phonons) is characterized by its specific effective temperature is considered. The effect of the resonant (electric dipole) excitation of the spin electronic subsystem of conduction electrons on spin-wave current excitation in a ferromagnetic insulator is considered. The macroscopic equations describing the spin-wave current caused by both resonant excitation of the spin system of conduction electrons and the presence of a nonuniform temperature field in the ferromagnetic insulator are derived taking into account both the resonance-diffusion propagation of magnons and their relaxation processes. It is shown that spin-wave current excitation is also of resonant nature under the given conditions.     

Calculation of leakage inductance in transformer windings

A formula is presented to calculate mutual impedance between transformer windings on ferromagnetic cores. The formula is based on the solution of Maxwell's equations for coils on ferromagnetic cores and as such offers the ultimate in accuracy. The formula is frequency dependent, taking into account the effect of eddy currents in the core on the flux distribution as well as representing the eddy current core loss as an equivalent resistance. Experimental results are presented for leakage inductance and an illustrative example is presented showing how leakage inductance affects the operation of a typical switching mode power supply. Approximations for the formula are also presented to simplify the calculations under certain operating conditions     

外磁路涡流对铁氧体开关响应时间的影响

从开关电路和响应磁场2个方面对涡流的影响进行了研究.以激励线圈等效阻抗的变化,得出涡流效应对外磁路开关电路响应时间的影响;在响应磁场方面,以典型模的方式,应用安培定律、楞次定律、电磁感应方程,以数学推导得出典型模涡流对响应磁场的影响,以此得出涡流对外磁路开关响应时间的影响因素及其量级大小.通过具体产品的设计验证,证明了结论的正确.