多层管界面脱粘缺陷的电磁超声检测方法研究-硕士毕业论文Word文件下载.doc
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多层管用的电磁超声数值模拟程序的开发；
针对小径管提出了一种旋转磁场管用电磁超声新方法；
所提方法对多层结构界面脱粘缺陷检测的有效性的实验验证。
具体研究内容及主要结果如下：
（1）基于已有平板的数值模拟程序，开发了多层管电磁超声数值模拟程序，通过超声场传播规律的分析、超声波波速计算值与理论值的对比以及仿真结果与实验结果的对比，验证了数值模拟程序的正确性。
（2）建立了钨铜穿管型部件的数值计算模型，提出了两种典型的管用电磁超声探头结构，利用开发的数值模拟程序进行了界面脱粘缺陷检测的电磁超声信号仿真；
搭建了电磁超声实验系统，自制了电磁超声探头，进行了单层铝板以及铝铜双层板的电磁超声扫查实验。
数值模拟和实验结果均表明：
电磁超声方法用于多层结构界面脱粘缺陷检测非常有效。
（3）提出了一种基于旋转磁场的管用电磁超声新方法，开发了旋转磁场电磁超声检测数值模拟程序，对三相绕组内部空间的磁场分布、旋转磁场的速度效应以及在旋转磁场作用下的电磁超声检测信号进行了计算分析，同时还开展了旋转磁场电磁超声关键问题的验证实验。
旋转磁场电磁超声方法对多层管界面脱粘检测是可行的。
关键词：
偏滤器；
多层管部件；
界面脱粘；
电磁超声检测；
旋转磁场
论文类型：
应用基础
69
ABSTRACT
Title:
DevelopmentofEMATforDetectionofDelaminationofMultilayeredTubes
ProfessionalFields:
SpaceflightEngineeringThisstudyissupportedbyNationalMagneticConfinementFusionProgramofChina（Grant.2013GB113005）,theNaturalScienceFoundationofChina（GrantNo.51277139,11321062）andtheNationalBasicResearchProgramofChina（GrantNo.2011CB610303）
Applicant:
GuicaiYang
Supervisor:
Prof.ZhenmaoChen,Prof.YangYu
Divertorisoneofthekeyplasmafacingcomponents（PFC）inTokamak.Themajorfunctionofthedivertoristoremovewasteandheatproducedbynuclearfusiontomakeitpossibleforthecontinuousoperationoffusionplasma.Tobearthehugeheatfluxfromthecoreplasma,heatsinkisnecessaryinthedivertorstructure.Intheverticaltargetofdivertor,heatsinkofamono-blockstructureisadoptedwhichconsistsofCFC/WblockandaCualloytubethatareweldedtogetherbymeansofthehotisostaticpresstechnology（HIP）.Themultilayertubeisalsoatypicalstructurewidelyusedintheaerospaceengineering.Duringthefabricationandoperation,delaminationorsurfacecrackingmayoccurduetothecomplicatedfabricationconditionandsevereheatenvironment,whichisakeythreattothesafetyofthemultilayeredtube.Inordertoguaranteethestructuralintegrityofdivertor,nondestructivetestingtechniqueisnecessaryforthedetectionofdelaminationofweldingjointsofWmono-blocks.
Infraredthermography,ultrasonictestingandeddycurrenttestinghavealreadybeenadoptedfortheinspectionoftheWmono-blocks,buttheystillhaveefficiencyandprecisionproblems.Electromagneticacoustictesting（EMAT）haspotentialtosolvetheseproblemsduetoitsparticularfeatures,butitsfeasibilityhastobedemonstrated.
Basedonthesebackgrounds,thisthesisfocusonthedevelopmentofEMATforthedetectionofdelaminationinmultilayeredstructuresespeciallyamultilayeredtube.Themajorworksincludetheestablishmentofthenumericalsimulationmethodandacodeformultilayeredstructures,developmentofanewEMATbasedonrotatingbiasmagneticfield,andexperimentalverification.Thedetailedresearchworkandmajorresultsareasfollows:
BasedonthecodeforEMATofmonolayerflatplate,anumericalsimulationcodefornonmagneticmultilayeredtubewereestablishedanditsvaliditywasverifiedthroughananalysisofultrasonicwavefield,comparisonofthesimulatedultrasonicwavevelocitywiththatofthetheoreticalvalueandexperimentalvalidation.Boththesimulationresultsandtheexperimentalresultsshowthatthesimulationmethodandcodearecorrect.
ToinvestigatethefeasibilityofEMATfordetectionofdelaminationofmono-blocks,anumericalsimulationmodelofWmono-blockwasestablishedwithtwoEMATprobesproposedformultilayertubeinspectionandtheEMATsignalswerecalculatedfordifferentkindsofdelaminationdefects.Inaddition,ashearwaveverticalEMATprobe,twokindsofplatetestpieceswithartificialdelaminationdefectsandanEMATtestingsystemwerefabricatedandestablished.BothnumericalandexperimentalresultsrevealthatEMATissuitablefortheinspectionofdelaminationinmultilayeredstructures.
TocopewithEMATinspectionformultilayertubeofsmalldiameter,aninnovativeEMATmethodusingrotatingbiasmagneticfieldwasproposedforNDTofdelaminationdefectsintubesubsurface.AnumericalcodebasedonBiot-Savart
lawwasdevelopedtoanalyzethedistributionofmagneticfieldgeneratedbythreephasewindings,andtheinfluenceoftherotationofmagneticfieldontheEMATsignalswasanalyzed.ExperimentswerealsoperformedtodemonstratethefeasibilityofkeypointsoftherotatingbiasmagneticfieldEMATundersimplifiedexperimentalconditions.Boththeresultsofsimulationsandofexperimentsdemonstratedthefeasibilityoftheproposednewtechnique.
KEYWORDS:
Divertor;
Multilayeredtubes;
Delamination;
Electromagneticacoustictesting;
Rotatingbiasmagneticfield
TYPEOFTHESIS:
ApplicationFundamentals
目录
1绪论 1
1.1研究背景和意义 1
1.1.1严峻的能源问题 1
1.1.2托卡马克偏滤器 2
1.1.3托卡马克偏滤器多层结构部件的界面剥离问题 3
1.2偏滤器靶板换热管界面剥离缺陷检测方法研究现状 4
1.2.1基于红外热成像法的界面剥离检测 5
1.2.2基于超声波反射法的界面剥离检测 5
1.2.3基于涡流法的界面剥离检测 6
1.3电磁超声无损检测技术概述 7
1.4论文研究目标及内容框架 8
1.4.1研究目标和研究内容 8
1.4.2论文框架 8
2电磁超声无损检测基本理论 10
2.1电磁超声无损检测的基本原理 10
2.1.1电磁超声无损检测原理 10
2.1.2电磁超声谐振检测原理 11
2.2计算涡流场的Ar棱边有限元法 12
2.2.1基本微分控制方程 12
2.2.2基于Ar法的棱边元控制方程 13
2.3各项同性介质中的超声波有限元数值模拟方法 18
2.3.1二维超声波的有限元数值模拟方法 18
2.3.2三维超声波的有限元数值模拟方法 23
2.4电磁超声检出信号数值计算方法 26
2.5本章小结 26
3多层管界面脱粘缺陷检测的电磁超声数值模拟 27
3.1管用电磁超声数值模拟程序的开发 27
3.1.1数值模拟程序开发 27
3.1.2管用电磁超声数值模拟程序正确性验证 28
3.2穿管型多层管界面脱粘缺陷检测的电磁超声数值模拟 33
3.2.1纵波探头检测数值模拟 33
3.2.2横波探头检测数值模拟 36
3.3钨瓦型多层结构界面脱粘缺陷检测的电磁超声数值模拟 39
3.3.1探头设计 39
3.3.2不同大小界面缺陷下数值模拟结果 39
3.4电磁超声信号扫查成像 43
3.5本章小结 43
4一种基于旋转磁场的管用电磁超声新方法 45
4.1旋转磁场电磁超声检测原理 45
4.1.1永磁体电磁超声探头存在的问题 45
4.1.2旋转磁场电磁超声检测原理 46
4.2旋转磁场电磁超声数值模拟的可行性验证 48
4.2.1数值模拟程序的开发 48
4.2.2定子铁芯内的磁场分布 49
4.2.3旋转磁场电磁超声关键问题研究 52
4.3旋转磁场电磁超声实验 53
4.3.1简化实验系统 54
4.3.2实验结果 55
4.4本章小结 56
5电磁超声界面脱粘缺陷检测实验研究 57
5.1实验检测系统介绍 57
5.2单层平板缺陷检测 58
5.2.110mm厚的铝板 58
5.2.23mm厚的铝板 59
5.3铝铜两层板界面脱粘缺陷检测 62
5.4本章小结 63
6总结与展望 65
6.1主要工作和结论 65
6.2研究工作展望 65
致谢 67
参考文献 68
攻读学位期间取得的研究成果 71
声明
CONTENTS
CONTENTS
1Preface 1
1.1ResearchBackgroundandSignificance 1
1.1.1SeriousEnergyProblem 1
1.1.2DivertorinTokamak 2
1.1.3ProblemofInterfaceDelaminationforHeatSinkTubes 3
1.2ResearchStatusofDelaminationforMultilayeredTubes 4
1.2.1IntroductionofInfraredThermographyMethod 5
1.2.2IntroductionofUltrasonicMethod 5
1.2.3IntroductionofEddyCurrentMethod 6
1.3IntroductionofEMAT 7
1.4ObjectivesandMainWorks 8
1.4.1ObjectivesandResearchContents 8
1.4.2FrameworkofThesis 8
2BasicTheoriesandMethodsofEMAT 10
2.1BasicPrinciplesofEMAT 10
2.1.1BasicPrinciplesofEMAT 10
2.1.2BasicPrinciplesofEMAR 11
2.2FEMandArMethodinNumericalSimulationofEddyCurrent 12
2.2.1BasicGoverningEquations 12
2.2.2EstablishingFEMEquationsBasedonArMethod 13
2.3NumericalSimulationforUltrasonicWave 18
2.3.1Two-dimensionalFEMSimulationMethodofUltrasonicWave 18
2.3.2Three-dimensionalFEMSimulationMethodofUltrasonicWave 23
2.4NumericalCalculationofPickupSignalforEMAT 26
2.5Summary 26
3NumericalSimulationofEMATforTheInspectionofDelaminationinMock-ups 27
3.1DevelopmentofNumericalSimulationCodeforTubes 27
3.1.1DevelopmentofNumericalSimulationCodeforTubes 27
3.1.2VerificationofNumericalSimulationCode 28
3.2TheNumericalSimulationofEMATforWMono-block 33
3.2.1NumericalResultsofTheLongitudinalWaveProbe 33
3.2.2NumericalResultsofTheShearWaveProbe 36
3.3TheNumericalSimulationofEMATforFlat-type 39
3.3.1NumericalSimulationModel 39
3.3.2NumericalResults 39
3.4TheSimulationofEMATSignalScanning 43
3.5Summary 43
4RotatingBiasMagneticFieldEMAT 45
4.1BasicPrinciplesofTheRotatingBiasMagneticFieldEMAT 45
4.1.1DisadvantagesofEMATBasedonPermanentMagnet 45
4.1.2BasicPrinciples 46
4.2VerificationofTheRotatingBiasMagneticFieldEMAT 48
4.2.1SimulationCodeforTheRotatingBiasMagneticField 48
4.2.2DistributionofTheRotatingBiasMagneticField 49
4.2.3VerificationofTheVelocityEffects 52
4.3ExperimentofRotatingBiasMagneticFieldEMAT 53
4.3.1ExperimentalSystem 54
4.3.2ExperimentResult 55
4.4Summary 56
5TheApplicationofEMATforTheInspectionofDelamination 57
5.1ExperimentalSystem 57
5.2ExperimentofTheAluminiumPlate 58
5.2.1ResultofThe10mmThickAluminiumPlate 58
5.2.2ResultofThe3mmThickAluminiumPlate 59
5.3ExperimentofTheTwo-layeredPlate 62
5.4Summary 63
6ConclusionsandProspects 65
6.1Conclusions 65
6.2Prospects 65
Acknowledgements 67
References 68
Achievements 71
Declarations
1绪论
1绪论
1.1研究背景和意义
1.1.1严峻的能源问题
能源作为人类活动、社会经济发展的物质基础，其需求量随着人类的发展和社会的进步也是越来越大。
在某种意义上讲，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。
然而在现今世界，各国为了谋求更快的经济发展大量的使用化石燃料，一方面致使这些有限的化石燃料（如煤炭、石油和天然气等）储量日益下降、在可预见的未来将消耗枯竭，另外一方面传统的化石能源造成了严重的环境污染，而且能源结构单一，经济效益不合理，严重的阻碍了社会的可持续发展。
能源、发展与环境，已成为全世界、全人类共同关注的话题，也是我国社会经济可持续发展的关键。
针对传统的化石能源，一方面发展可再生能源（如风能、生物能、化学能等）取而代之；
另一方面是开发新一代的能源技术，如光伏发电及核能等[1]。
核能，主要包括核聚变能和核裂变能，是新能源结构的重要组成部分，因其高能源密度、无温室气体排放、产生能量大等优点备受当今社会的关注。
从我国面临的巨大的能源需求以及资源限制、环境压力来看，发展核能是我国实现可持续发展的根本出路。
然而现阶段核电站运用的核裂变能，虽然给社会带来了便利，但也给人类打来了前所未有的放射性污染的风险；
另一
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