基于正交试验理论的接地扁钢缺陷检测电磁超声换能器优化设计.pdf
《基于正交试验理论的接地扁钢缺陷检测电磁超声换能器优化设计.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于正交试验理论的接地扁钢缺陷检测电磁超声换能器优化设计.pdf(5页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、接地网是保障电力系统运行的重要设施,需要及时地开展接地扁钢的缺陷检测。然而,目前的检测方法在准确性、效率等方面依然存在不足。电磁超声导波检测方法可以在不开挖的条件下,利用非接触的优势实现地网的检测,具有一定的优势。论文针对接地扁钢,设计了简易有效的电磁超声SH导波换能器,并分析换能过程中的多物理场耦合机理,在COMSOLMultiphysics中开展有限元建模和仿真;为了优化换能器,根据正交试验理论,进行多因素多水平分析,获得5个参数对导波激励的影响规律以及最优参数组合;搭建了扁钢检测系统,开展SH导波实验。结果表明,相比于正交试验表中的效果最好的前两个参数组合,最优参数组合的换能器性能在导波
2、幅度上分别提升了14.0%和2 8.6%。关键词:接地扁钢;电磁超声换能器;导波;缺陷检测;正交试验理论;优化D0I:10.19753/j.issn1001-1390.2023.08.010中图分类号:TM935Optimal design of electromagnetic ultrasonic transducer for defect detectionZhou Kai,Zhang Ruizhe,Ye Kuan,Li Hongda,Wang Zhe,Huang Songling?(1.State Grid Beijing Electric Power Research Institut
3、e,Beijing 100072,China.2.State Key Laboratory ofControl and Simulation of Power System and Generation Equipments,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract:The grounding grid is an important facility to ensure the operation of the power system.It is necessary to carry outthe defect detection
4、of the grounded flat steel in time.However,the current detection methods still have shortcomings in termsof accuracy and efficiency.The electromagnetic ultrasonic guided wave detection method can use the advantages of non-contactto realize the detection of grounded grid without excavation,which has
5、certain advantages.In this paper,a simple and effectiveelectromagnetic ultrasonic SH guided wave transducer is designed for grounded flat steel.The mechanism of multi-physics cou-pling in the energy conversion process is analyzed.Finite element modeling and simulation are carried out in COMSOL Mul-t
6、iphysics.In order to optimize the transducer,the multi-factor and multi-level analysis are carried out according to the orthogo-nal test theory,and the influence of 5 parameters on guided wave excitation and the optimal parameter combination are ob-tained.Furthermore,a flat steel detection system is
7、 established and SH guided wave experiments are carried out.The resultsshow that,compared with the first two parameter combinations in the orthogonal test table,the transducer performance of theoptimal parameter combination increases by 14.0%and 28.6%in the amplitude of guided wave,respectively.Keyw
8、ords:grounded flat steel,electromagnetic ultrasonic transducer,guided wave,defect detection,orthogonal test the-ory,optimization0引言接地网是电力系统安全稳定运行的保障,而扁钢是接地网经常使用的材料1-3。由于接地网布置于地基金项目:国家电网北京市电力公司科技项目(52 0 2 2 3190 0 5k);国家自然科学基金资助项目(52 0 7 7 110)文献标识码:Bof grounded flat steel based on orthogonal test th
9、eory文章编号:10 0 1-1390(2 0 2 3)0 8-0 0 57-0 5下,容易受到土壤等外部环境的影响,从而产生腐蚀等缺陷,进一步威胁接地网的接地性能4。因此,有必要研究接地扁钢缺陷检测的有效方法。目前,基于电学和化学的检测方法已经得到了一定的研究5。接地电阻是接地能力的重要指标,生产一57 一第6 0 卷第8 期2023年8 月15日运维中经常使用工频接地电阻测试方法(6 7 。接地网地表磁场分布也可以进行接地网的诊断,有缺陷的接地网会使得电流分布发生变化,从而影响到周围的电磁场。通过解析接地网金属的电化学参数,可以实现腐蚀的原位检测9。除此之外,断层成像技术,如电阻抗成像方
10、法也得以开展,其根据接地网的电位,建立成像逆问题模型,直观判断缺陷的位置10 。超声导波检测是无损检测领域的一种方法,其在被检测物件中激发出导波,利用导波与缺陷的作用获取结构件的健康信息1-4。在平板结构中,存在的导波类型主要是Lamb 波和SH波15。其中,SH波振动简单,可以由电磁超声换能器激发。永磁体、螺线管阵列线圈和镍带构成聚焦声束的SH导波换能器,其可以产生具有方向性的导波,且理论预测和实验结果非常吻合16 。然而,螺线管阵列线圈设计复杂,难以制作和实施。跑道型线圈也可以用来设计换能器,并开展波辐射模式的研究17 。然而,跑道型线圈端部的圆弧形连接线圈会对激发导波的纯净度产生影响。为
11、了优化电磁超声换能器,需要分析导波激发机理,研究优化方法18 2 0 1。二阶矢量位理论可以用来推导换能器中矩形回折线圈的阻抗以及磁场的理论解析表达式,进一步计算脉冲响应,从而分析导波换能器性能2 1。洛伦兹力是导波激励的机制之一,通过分析磁场和涡流,可以建立洛伦兹力理论方程,进行导波换能器的有限元仿真2 2 。基于软磁带的动态磁路优化降低磁路的磁阻,增强动态磁场强度,从而提高导波信噪比2 3。然而,目前的优化需要进行多次的仿真,且面临多参数的情况,从而无法合理有效地开展设计。文中设计针对扁钢缺陷检测的电磁超声SH导波换能器,并基于正交试验理论对其进行优化。该换能器由永磁体阵列和线圈构成,在洛
12、伦兹力机制下产生沿扁钢长度方向传播的SH导波。由于换能器涉及较多参数,利用正交试验表L16(4),仅进行16 次仿真,实现对换能器5因素的分析,提高设计效率。同时,相关的实验工作也验证了正交试验的合理性与高效性。1扁钢检测SH导波换能器结构设计电力系统接地扁钢一般埋于地下,而在地面上存在接地引线。扁钢呈扁状长条结构,为了适应这种特殊结构,设计永磁体阵列SH导波换能器,其结构如图1所示。该换能器由永磁体阵列、线圈和扁钢本身构成。其中,多个永磁体紧密排列,相邻磁体极性相反,在换能过程中提供静态偏置磁场;线圈缠绕于永磁体,且其中通以高频脉冲电流,该电流在扁钢表面层形成涡流,涡流的方向垂直于静态磁场。
13、由洛伦兹力机制可知,处在静态磁场中的涡流,受到洛伦兹力的作用,而涡流一58 一电测与仪表Electrical Measurement&Instrumentation的方向随着脉冲电流方向的改变而改变,因此,洛伦兹力是交变的,进一步形成粒子振动,当振动传播开来,逐步稳定,形成SH导波。线圈Z.永磁体阵列SNSNNSNS图1永磁体阵列SH导波换能器结构Fig.1 Structureof permanent magnet arraytransducer for SH guided wave具体地,永磁体提供的偏置磁场表达为:Vx H=0式中H为磁场强度。高频脉冲电流产生的动态磁场可以表达为:
14、1A-0Aat-J式中A为磁矢量位;J为激励电流密度;为磁导率,为电导率。进一步地,涡流为:dAJ=-at式中J。为涡流密度。进一步地,洛伦兹力表示为:FL=B J。(4)在洛伦兹力作用下,物体的运动方程表达为:uVu+(x+k)W.u+FL=p式中u为位移矢量;p为材料密度;X和k为拉梅常数。位移沿着波导传播,产生超声导波。通常情况下,电磁超声换能器的信噪比较低,因此,利用相位叠加原理增强相应模态导波。永磁体阵列中相邻磁体的中心间距在数值上等于波长的一半即入/2,从而在扁钢中任意位置,不同永磁铁下方导波源传播到该处的导波的相位为2 的整数倍,形成波幅度的叠加,极大地增强信号能量。2SH导波换
15、能器有限元建模分析基于上述分析,SH导波的激励过程涉及电磁场、力场以及声场,因此,其换能过程为多物理场问题,如图2 所示。激发电磁场力场接收图2 换能器的多物理场耦合Fig.2 Coupling of multiple physical fields in transducer为了进行有限元分析,采用COMSOLMultiphysicsVol.60 No.8Aug.15,2023SH导波换能器扁钢入/2hWm声场(1)(2)(3)(5)第6 0 卷第8 期2023年8 月15日软件,以利用其电磁场模块和固体力学模块,实现电磁超声换能器的多物理场耦合,激发SH导波。在有限元软件中搭建扁钢及换能器
16、几何,并设置参数,其中,扁钢材料参数和几何参数如表1所示。表1扁钢材料参数和几何参数Tab.1 Material parameters and geometricparametersof flat steel参数名符号弹性模量E泊松比密度相对磁导率长度宽度高度在固体力学物理场条件下,设置洛伦兹力的三个分量,如式(6)所示:Fx=Jey B,-Jea ByF,=Je B-JexB(F,=Jex B,-Jey B.为了有效仿真波场,划分网格的质量至关重要。网格的尺寸需远远小于激发导波波长,具体地:入Ax10式中入为波长;x为网格最大尺寸。根据此原则,划分后的网格如图3所示。扁钢永磁体,yx图3永磁
17、体阵列换能器网格划分Fig.3 Meshingof permanent magnet array transducer为了研究波的传播,采用瞬态仿真,仿真步长需满足:AtCL式中cL为纵波波速。线圈中流经的高频脉冲电流为猝发音信号,表达式如下:P(t)=0.54-0.46cos(2t/T)sin(2mf.t)(9)式中f。为中心频率。在文中,考虑扁钢的几何参数,特别是长度,兼顾SH导波的分辨率以及传播能力,中心频率设置为10 0kHz,脉冲的周期数为6。波形如图4所示。电测与仪表Electrical Measurement&Instrumentation1.010.5福0.0-0.51
18、-1.010102030405060时间(s)图4激励脉冲信号取值Fig.4Waveform of excitation pulse signal205 GPa可以看出,激励脉冲本质为加窗正弦信号,而窗函0.2数的存在能够减小时域的突然截断带来的频谱泄漏。P7 850 kg/m31a1.5 m60.05 mh0.005 m(7)线圈(8)Vol.60 No.8Aug.15,20233SH导波换能器正交试验优化设计永磁体阵列SH导波换能器涉及较多参数,如果使用有限元仿真进行优化,考虑不同参数的组合,则计算量庞大,耗时不菲。因此,使用正交试验理论进行换能器的优化。正交试验从参数组合中选取部分开展研
19、究,具有“均衡分散性”和“整齐可比性”的优点,从而提高寻找最优参数的效率。文中考虑的主要参数为永磁体阵列中磁体个数(6)m,永磁体高度hm,永磁体宽度wm,线圈导线直径d。,线圈匝数n,每一个参数为一个因素,每个因素设置4个水平,利用正交表L16(4)开展正交试验。为了衡量不同因素组合产生的效果,以激励的导波位移峰峰值Up作为研究对象。SH导波换能器5因素4水平的正交试验及其结果如表2 所示。表2换能器5因素4水平正交试验表Tab.2Orthogonal test of 5 elements 4 levelsforthe designed transducer序号mhm/mmwm/mmd./m
20、m1424344456667686981081181281310141015101610表2 中,各个水平由换能器常用参数确定,具体地,m取值为4、6、8、10;hm取值为10 mm、15m m、2 0一59 一nUp/10-mm10301535204025451035153020452540104015302045253510451540203525300.20.40.60.80.60.80.20.40.80.60.40.20.40.20.80.660801001201201008060806012010010012060804.2045.3527.8469.01312.2159.0219.
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 正交 试验 理论 接地 缺陷 检测 电磁 超声 换能器 优化 设计
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。