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摘 要

当今社会的主流是追求质量、安全，同时产品的耐久性也是未来发展的方向。在我们的日常生活中，无时无刻不在接触着金属材料，特别是对于国家的工业发展，金属材料都起着至关重要的作用，桥梁的搭建需要用到金属材料，铁轨的制造需要用到金属材料，房屋的设计需要用到金属材料等。在金属材料越来越被广泛应用的同时，对于金属材料的品质要求和检测要求也随之提升。因为金属材料在工业中常用于环境比较恶劣，结构比较复杂的情况之下，所以对于检测技术的要求也就通常比较苛刻，不伤害试件是检测的前提条件，我们又称其为无损检测。在无损检测中，各式各样的检测技术百花齐放，但是其中最为耀眼的还当数脉冲涡流热成像技术，它具有快速安全、非接触、精确等优势，为金属材料无损检测的研究提供了一条新颖、出众的途径，也促进了无损检测技术和工业实力的不断发展。

本文的目的在利用脉冲涡流热成像技术的理论效应，运用COMSOL Multiphysics软件，通过理论与实践相结合的方法，建立一个60轨的铁磁材料模型，添加电磁场和固体传热模块，设置物理场条件，对电磁——热耦合效应进行设置，合理进行网格划分，添加需要研究的环境和步骤，最终实现仿真结果并且总结模型表面裂纹在不同激励下产生的涡流热分布成像特点。

通过仿真结果，说明此次仿真系统可以观察到裂纹与涡流热和温度的仿真分布规律。针对不同频率的激励，可以得出其相对应的涡流热分布图像。

关键字：无损检测 脉冲涡流热成像技术 COMSOL Multiphysics5.2 裂纹

Simulation of eddy heat distribution on metal surface.

Abstract

The mainstream of today's society is the pursuit of quality and safety. At the same time, the durability of products is also the direction of future development. In our daily life, all the time in contact with metal materials, especially for the industrial development of the country, metal materials play a vital role. The construction of bridges needs metal materials. Metal materials are needed for the manufacture of rail. The design of houses needs metal materials and so on. With the increasing application of metal materials, the quality requirements and testing requirements for metallic materials have also been improved. Because the metal materials are often used in the industry, the environment is very bad and the structure is more complex, so the requirements for the detection technology are usually more stringent, and the test is not hurt, and we call it nondestructive testing. In nondestructive testing, all kinds of detection techniques are in bloom, but the most dazzling digital pulse eddy current thermal imaging technology has the advantages of fast safety, non contact and precision. It provides a novel and outstanding path for the research of nondestructive testing of metal materials, and also promotes the technology and work of nondestructive testing. The continuous development of the strength of the industry.

The purpose of this paper is to establish a 60 rail ferromagnetic material model by combining theory and practice with the theoretical effect of pulsed eddy current thermal imaging (pulsed eddy current thermal imaging), using the multi physical field coupling finite element analysis software COMSOL Multiphysics. The electromagnetic field and the solid heat transfer module are added to set the physical field conditions and electromagnetic field. The thermal coupling effect is set up, the grid is divided reasonably, the environment and steps need to be added, the simulation results are finally realized and the characteristics of the thermal distribution imaging of the model surface crack under different excitation are summarized.

The simulation results show that the simulation and distribution of crack and eddy heat and temperature can be observed in the simulation system. According to the excitation of different frequencies, the corresponding eddy heat distribution images can be obtained.

Keyword：nondestructive examination ；Pulsed eddy current thermal imaging technology ；COMSOL Multiphysics5.2；Crackle

目录

摘要. I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.1.1无损检测简述 1

1.1.2脉冲涡流热成像技术简述 1

1.2 脉冲涡流热成像技术现状分析 2

1.3脉冲涡流热成像技术未解决的问题 3

1.4本课题研究内容与意义 3

第二章 脉冲涡流热成像的原理及特征 4

2.1脉冲涡流热成像的基本原理 4

2.2脉冲涡流热成像的成像特点 4

2.3激励对脉冲涡流热成像结果的影响 5

2.3.1 激励高度 5

2.3.2 激励频率 5

第三章 模型设计 6

3.1 60轨的简介 6

3.2 60轨模型的构造 7

3.2 材料参数设计 11

第四章 物理场的分析 12

4.1 电磁感应现象 12

4.2 边界条件的分析 14

4.3 COMSOL Multiphysics软件的简介 15

4.3.1 有限元分析法 15

4.3.2 多物理场耦合软件—COMSOL Multiphysics 15

4.4 基于COMSOL的磁场分析 16

4.5 基于COMSOL的固体传热分析 18

第五章 耦合场的仿真分析 21

5.1 耦合场分析 21

5.2 基于COMSOL的耦合场仿真研究 22

第六章 结果与分析 24

6.1 仿真结果与分析 24

6.2 激励频率对实验结果的影响 26

结语 27

参考文献 28

致谢 29

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.1.1无损检测简述

无损检测的前提是不会影响到被测对象的使用功能、外部和内部结构，利用被测对象存在的缺陷会引起物理反应在此处的变化，根据物理或者化学原理为基础，通过现代技术和仪器对缺陷、裂纹进行检测的方法，提取被测试件表面缺陷的特征。无损检测是工业、航空业、建筑业等行业生产发展不可或缺的有效技术，从某一方面来说，它在一定程度上代表着一个国家的工业技术水平，对很多国家企业和工厂来说，无损检测已经是不可或缺的技术。众所周知的，其中主要有涡流检测、射线检验、超声检测、热像/红外等。

随着工业技术和人类品质的提升，机械设备的升级，很多机器的重要结构的质量和安全要求日益重要，无损检测技术也就越来越受到人们的重视，很多产品的耐久性和质量控制也越来越重视。在建筑、航海、航空、电力、铁路等诸多领域，材料的质量是工程的安全底线，材料的使用寿命期限，是很难预测和察觉的，这对工程以及安全都是绝对的威胁，然而这在工程上是习以为常的现象。金属材料的耐久度几乎等同于材料的寿命，金属疲劳损伤对于零件的安全性起到决定性作用^[1]。因此，研究裂纹和其他小缺陷的检测手段，对于工业生产和维护具有重大意义，对于灾难事故的发生具有预见性的作用^[2]。

1.1.2脉冲涡流热成像技术简述

脉冲涡流热成像无损检测技术是通过电磁感应加热试件，利用热像仪获取试件的温度分布变化情况，根据温度的差异情况取得缺陷信息的方法。感应线圈在通入交变电流的时候会产生一定的感应涡流，当试件中存在缺陷时，涡流将被迫绕过缺陷，导致缺陷区域周围的涡流密度发生改变。根据焦耳定律，每一部分的电流密度不同，电流大的地方电阻热多，电阻小的地方电阻热少，使得构件每一部分的温度存在差异。利用这一差异，如果利用高速高分辨率的红外设备记录下试件表面温度分布图像，通过分析热图像序列可获得试件的缺陷特性。该检测方法具有加热效率高、成本低、精度高、试件表面无特殊要求等优点^[3]。由于脉冲涡流热成像技术是近期来比较新颖的检测技术，提升和改进的空间大，受到世界各地研究人员和工业部门的重视^[5-8]。

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