于亞婷,袁 飛,熊龍輝,田貴云

(1. 電子科技大學(xué)機械與電氣工程學(xué)院,四川 成都 6117312. 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所,北京 100081;3. 電子科技大學(xué)自動化工程學(xué)院,四川 成都 611731)

1 引言

中國高鐵規(guī)劃建設(shè)起步較晚,但從2003年第一條高鐵—“秦沈客運專線”建成到2020年底,我國鐵路運營總里程預(yù)計將達(dá)到14.6萬千米,最高時速可達(dá)到350千米/時[1-2]。高速鐵路的快速發(fā)展?jié)M足了人民群眾出行、運輸需求,順應(yīng)我國經(jīng)濟快速發(fā)展要求。然而,高鐵事故的發(fā)生直接危害到生命財產(chǎn)安全,所以對高速軌道服役期間的損傷進行快速定期檢測和維護工作是重中之重[3]。目前常見的高鐵鋼軌傷損有滾動接觸疲勞損傷、內(nèi)部核傷、腐蝕裂紋等。其中,鋼軌滾動接觸疲勞(Rolling Contact Fatigue:RCF)傷損最為常見,其包括軌頭表面的斜裂紋、軌頭內(nèi)部隱傷和軌頭的剝離掉塊三種類型[4]。

目前,我國高速鋼軌常用的材料為U71Mn、U75V和U76CrRE三種鋼種,不同鋼種的化學(xué)成分占比不同,其中,U76CrRE的主要成分包括C、Si、Mn、Cr等[5],該合金鋼具有很強的導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性。針對高導(dǎo)電性和高導(dǎo)磁性材料,電磁無損檢測被證明是最有效和最適合的方法[6]。但是針對高速鋼軌疲勞接觸裂紋的電渦流無損檢測技術(shù)中涉及動態(tài)/靜態(tài)問題、電場和磁場的耦合問題,還需開展進一步的研究。

目前針對在靜態(tài)情形下的電磁無損檢測電磁場的計算,Dodd和Deeds、Theodoulidis、李勇等[7-12]基于電磁場理論建立不同的解析模型,結(jié)合分離變量法和截斷區(qū)域法等數(shù)學(xué)方法得到解析表達(dá)式。然而建立的解析模型大都是針對無裂紋的金屬構(gòu)件展開的。為了對高鐵軌道疲勞接觸裂紋的檢測提供理論支持,作者和Theodoulidis等人推導(dǎo)了含有圓柱裂紋、橢圓柱裂紋和矩形裂紋的金屬構(gòu)件電磁無損檢測電磁場解析計算表達(dá)式[13-14],然而電磁場的解析計算涉及電磁場、數(shù)學(xué)、數(shù)值計算等多學(xué)科基礎(chǔ)理論,因此計算過程繁復(fù)。

同時,針對高速運行情況下鋼軌裂紋的無損檢測,作者等提出基于動生渦流的直流電磁無損檢測方法是實現(xiàn)金屬構(gòu)件中裂紋快速檢測的可行方法[15]。對高速運行下含裂紋鋼軌的直流電磁無損檢測的電磁場進行數(shù)值模擬是認(rèn)識和理解在運動情形下鋼軌中電磁場分布的重要手段。然而,基于動生渦流的直流電磁無損檢測電磁場仿真建模過程因涉及瞬態(tài)分析、涉及多個物理場,所以建模過程較為復(fù)雜,計算時間較長。

為此,為深入理解電渦流無損檢測中電場和磁場的耦合關(guān)系,理解靜態(tài)和高速運行狀態(tài)下高速鋼軌中電磁場的分布,有必要構(gòu)建高速鋼軌疲勞接觸裂紋電渦流檢測評估仿真系統(tǒng),降低電渦流無損檢測中靜態(tài)電磁場解析計算復(fù)雜程度以及動態(tài)電磁場的建模難度。提升獲取靜態(tài)電磁場和動態(tài)電磁場分布的效率,為提出高鐵鋼軌中疲勞接觸裂紋的定量無損檢測方法提供支撐。為此,本文基于.NET技術(shù)設(shè)計了靜態(tài)和動態(tài)情形下高速鋼軌滾動疲勞裂紋的電渦流無損檢測評估仿真系統(tǒng),旨在避免復(fù)雜推導(dǎo)過程和復(fù)雜建模過程的情形下,充分理解含有裂紋的金屬構(gòu)件在動/靜態(tài)電磁無損檢測中電場和磁場的耦合規(guī)律,最后將該系統(tǒng)應(yīng)用于確定動/靜態(tài)情形下電磁場的分布和RCF參數(shù)之間的定量關(guān)系。

2 基礎(chǔ)理論

2.1 含裂紋金屬構(gòu)件電渦流無損檢測靜態(tài)電磁場計算方法

渦流檢測技術(shù)是利用電磁感應(yīng)原理,通過測定被檢工件內(nèi)感生渦流的變化來無損評定導(dǎo)電材料及其工件的某些性能,或發(fā)現(xiàn)裂紋的無損檢測。在渦流檢測技術(shù)中,當(dāng)線圈中通入交流電后線圈周圍將會產(chǎn)生磁場,變化的磁場感應(yīng)被測的金屬試件表面產(chǎn)生渦流,變化的渦流產(chǎn)生二次感應(yīng)磁場與原磁場疊加使線圈的復(fù)阻抗發(fā)生變化,當(dāng)金屬試件有裂紋時,通過檢測線圈的復(fù)阻抗的變化或者磁傳感器電壓的變化檢測該試件的裂紋參數(shù),其檢測原理過程如圖1所示。

圖1 電磁渦流檢測基本原理

為模擬鋼軌中的真實裂紋,作者建立了含有矩形裂紋的金屬構(gòu)件的電磁無損檢測電磁場解析計算模型[13]。主要思路如圖2所示。首先計算含有圓柱裂紋的金屬構(gòu)件的電磁無損檢測電磁場解析計算表達(dá)式。然后通過最小誤差法將其擴展到含橢圓柱裂紋的電磁無損檢測電磁場解析計算表達(dá)式。最后通過面積相等、裂紋長、寬與橢圓長軸和短軸成比例的等效方法獲得含有矩形裂紋的金屬構(gòu)件電磁無損檢測電磁場半解析計算模型。其中含有柱狀裂紋的金屬構(gòu)件的電磁渦流電磁場計算是獲取含矩形裂紋金屬構(gòu)件電磁無損檢測電磁場計算關(guān)鍵。

圖2 含矩形裂紋的金屬構(gòu)件電磁無損檢測電磁場計算思路

2.2 基于直流電磁激勵動生渦流的鋼軌RFC裂紋檢測原理

動生渦流是指當(dāng)電磁檢測裝置(探頭)與金屬構(gòu)件之間存在相對運動時,金屬構(gòu)件表面所產(chǎn)生的渦流。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,金屬構(gòu)件表面的動生渦流可表示為

Jm=σv×B

(1)

動生渦流檢測技術(shù)是指在激勵線圈中通入直流電產(chǎn)生恒定磁場,通過探頭與金屬構(gòu)件(例如鋼軌)之間的相對運動在金屬構(gòu)件表面產(chǎn)生的動生渦流而對金屬表面裂紋進行檢測,如圖3所示。在動生渦流檢測系統(tǒng)中,根據(jù)麥克斯韋方程組以及式(1),探頭與運動金屬構(gòu)件的控制方程可寫為:

圖3 動生渦流裂紋檢測磁場圖

(2)

式中,μ為金屬構(gòu)件的磁導(dǎo)率,A為磁矢量勢(B=?×A),J0為激勵線圈所產(chǎn)生的恒定磁場。

根據(jù)楞次定律,圖3中動生渦流Jm可表示為Jn1和Jn2,Jn1和Jn2方向相反。Jn1和Jn2產(chǎn)生磁場分別為Bn1和Bn2,其方向由安培定律確定。如金屬構(gòu)件為鋼軌等鐵磁性材料,鐵磁性材料將會被檢測系統(tǒng)內(nèi)部的磁場磁化而產(chǎn)生磁化場,記為B3。因此,根據(jù)式(2),當(dāng)金屬構(gòu)件表面不存在裂紋時,動生渦流檢測系統(tǒng)中的綜合磁場Bc可表示為

Bc=B+Bn1+Bn2+B3

(3)

(4)

3 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 仿真系統(tǒng)需求分析

自然基金委重大儀器專項采用低速精檢和高速巡檢的方案實現(xiàn)對高速鋼軌中疲勞接觸裂紋的檢測與評估。為此,一方面需要從理論上深入理解在靜態(tài)/準(zhǔn)靜態(tài)情形下,電場與磁場相互作用的物理基礎(chǔ)理論,實現(xiàn)電磁場的解析計算;另一方面需要深入了解在高速運動狀態(tài)下,鋼軌中含RCF裂紋時,動生渦流的分布規(guī)律及RCF裂紋對磁場的影響。為此,需要構(gòu)建動靜態(tài)電渦流無損檢測評估仿真系統(tǒng),為RCF裂紋的定量檢測評估、探頭設(shè)計以及試驗驗證提供支持。另一方面,通過理論分析和文獻[18]可看出,對于靜態(tài)電磁場,當(dāng)金屬構(gòu)件存在裂紋時,其計算精度較高,且計算效率得到大大提升(約為數(shù)值計算的30倍),但其計算過程較為復(fù)雜、涉及電磁場和數(shù)學(xué)知識眾多,晦澀難懂。為此有必要通過電渦流檢測評估仿真系統(tǒng)將整個計算過程封裝,降低計算難度,并在保證計算精度的情況下可快速地獲取不同裂紋參數(shù)下的磁場。

高速運行下產(chǎn)生的動生渦流可用于鋼軌表面裂紋的快速定量檢測,但目前對運動狀態(tài)下動生渦流的分布、電磁場的分布等缺乏直觀認(rèn)識。雖采用ANSYS Maxwell可實現(xiàn)運動情形下的電磁場仿真,但瞬態(tài)分析所需時間長,建模過程復(fù)雜,對分析人員的數(shù)值建模理論要求較高,為此有必要簡便快捷地可視化展示運動速度和鋼軌疲勞裂紋參數(shù)對電磁場分布的影響,幫助設(shè)計人員理解運動速度對檢測的影響。

3.2 電渦流無損檢測評估仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合3.1節(jié)的系統(tǒng)需求分析,構(gòu)建鋼軌滾動RCF裂紋的電渦流無損檢測評估仿真系統(tǒng)的框架,如圖4所示。

圖4 電渦流無損檢測系統(tǒng)框架

該仿真系統(tǒng)由高速鋼軌RCF裂紋的電磁場靜態(tài)計算模塊、直流無損檢測2D仿真模塊和直流無損檢測3D仿真模塊組成,分別實現(xiàn)對含RCF裂紋的電渦流磁場的快速解析計算及高速運行情形下電磁場和動生渦流、速度效應(yīng)的計算和可視化。該系統(tǒng)不僅可為靜態(tài)和動態(tài)下鋼軌滾動RCF裂紋定量檢測提供支撐,也可為渦流無損檢測正向/逆向問題研究、傳感器探頭優(yōu)化設(shè)計及試驗驗證提供支持。

3.3 電渦流無損檢測評估仿真系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計

3.3.1 含RCF裂紋鋼軌靜態(tài)電磁場解析計算模塊

基于電渦流無損檢測電磁場解析計算的基礎(chǔ)理論,為實現(xiàn)電磁場的解析計算,文中將曲面鋼軌簡化為平面金屬,將鋼軌中的疲勞接觸裂紋簡化具有矩形截面的直裂紋,利用MATLAB編寫2.2節(jié)解析計算函數(shù)代碼,實現(xiàn)對磁矢量勢的解析求解。

在實際工程中,鋼軌RCF裂紋參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化[16];為克服C#單獨鏈接MATLAB編寫的m文件計算效率低的問題,本文采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)將解析計算的磁矢量勢、磁感應(yīng)強度等保存在數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)進行解析計算時,根據(jù)輸入?yún)?shù)先通過數(shù)據(jù)庫查詢是否有對應(yīng)的解析結(jié)果,如果有則直接調(diào)用,實現(xiàn)解析結(jié)果的快速調(diào)用與顯示;否則,調(diào)用MATLAB編譯的DLL文件計算含RCF裂紋鋼軌電渦流無損檢測電磁場,將解析計算結(jié)果保存于數(shù)據(jù)庫并顯示計算結(jié)果。該計算流程如圖5所示。

在C#上調(diào)用MATLAB函數(shù)時,需先配置MATLAB運行環(huán)境變量,保證C#能在path環(huán)境變量中找到DLL文件;然后編寫磁矢量勢數(shù)值計算求解函數(shù);通過MATLAB的deploytool命令將解析函數(shù)生成DLL文件(環(huán)境需選擇.NET Assembly環(huán)境);創(chuàng)建C#項目導(dǎo)入編譯的DLL文件,根據(jù)不同項目功能編寫相應(yīng)函數(shù),實現(xiàn)在C#平臺上對特征值的求解和鋼軌RCF裂紋模型的解析計算,如圖6所示。

將MATLAB的計算結(jié)果存儲于數(shù)據(jù)庫前需先配置相關(guān)的數(shù)據(jù)源,將數(shù)據(jù)存儲于指定的數(shù)據(jù)庫;鏈接建立完成后,執(zhí)行數(shù)值插入的SQL語句;可執(zhí)行SQL查詢語句查看數(shù)據(jù)庫調(diào)用結(jié)果,具體過程如圖7所示。

圖7 MATLAB數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫的過程

3.3.2 高速鋼軌RCF裂紋直流電磁無損檢測2D仿真模塊

對鋼軌滾動疲勞接觸裂紋的動生渦流無損檢測2D仿真是基于ANSYS Maxwell完成的。其中鋼軌RCF裂紋類型及參數(shù)如表1所示。為實現(xiàn)對高速運行情況下含裂紋的鋼軌疲勞裂紋的檢測,分析時需設(shè)置靜態(tài)區(qū)域和動態(tài)區(qū)域,其中探頭和空氣所在區(qū)域為靜態(tài)區(qū)域,鋼軌所在區(qū)域為動態(tài)區(qū)域,如圖8所示。在靜態(tài)區(qū)域,探頭固定不動,而在動態(tài)區(qū)域內(nèi),鋼軌以速度v沿X軸負(fù)向運動。在求解過程中,靜態(tài)區(qū)域網(wǎng)格不發(fā)生變化,而在動態(tài)區(qū)域內(nèi),由于探頭和裂紋的相對位置不斷改變,每個時間步下動態(tài)區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格都需重新劃分,且各區(qū)域磁場在兩個區(qū)域的邊界處實現(xiàn)傳遞,以完成在該時間步下的磁場計算,因此,建模難度較大。為此,本文基于C#的WinForm平臺結(jié)合ANSYS Maxwell搭建鋼軌滾動疲勞接觸裂紋電磁場的2D動態(tài)仿真模塊。該模塊將復(fù)雜建模過程進行封裝,用戶只需輸入模型參數(shù)、網(wǎng)格參數(shù)、計算參數(shù),就可實現(xiàn)對2D動態(tài)磁場仿真,避免仿真中繁瑣的步驟和建模失誤等對計算結(jié)果的影響。

表1 鋼軌RCF裂紋類型及參數(shù)

圖8 動靜區(qū)域劃分

在該模塊設(shè)計中,利用ANSYSMaxwell仿真腳本錄制功能,依次完成模型建立、材料屬性設(shè)置、運動設(shè)置和網(wǎng)格劃分等功能腳本的錄制。因其腳本文件不能直接用于C#編制,該模塊通過修改其腳本、提取參數(shù)并設(shè)置為相應(yīng)控件的輸入值,從而完成腳本文件的編寫過程。該模塊的實現(xiàn)流程如圖9所示。

圖9 2D仿真模塊開發(fā)流程

3.3.3 高速鋼軌RCF裂紋直流電磁無損檢測3D仿真

在2D仿真平臺雖然實現(xiàn)參數(shù)化仿真,但實際的高鐵線路中鋼軌具有復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu),由軌頭、軌腰、軌底構(gòu)成,如圖10所示。圖中,WH為軌頭高度;b為鋼軌冠狀高度;WT為軌腰高度;HF為接頭夾板安裝面高度;H為鋼軌高度;TF為軌底邊緣厚度;WF為軌底寬度。因此,2D仿真無法全面了解運動情形下含裂紋鋼軌的不同視角的磁場分布,為此設(shè)計了鋼軌疲勞裂紋直流電磁無損檢測3D電磁場動態(tài)仿真模塊。

圖10 高速鋼軌幾何結(jié)構(gòu)

雖然鋼軌RCF裂紋直流電磁無損檢測3D仿真模塊也可采用和2D仿真模塊類似的方法建立。但ANSYSMaxwell中直流電磁無損檢測3D仿真相比2D仿真而言,計算耗時太長(在IntelCPU為E5-2630,主頻為2.40Hz,RAM為128GB的64位計算機上大概需要2個月),若要及時獲取3D仿真的電磁場數(shù)據(jù)并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化,3.3.2小節(jié)所述的2D仿真平臺的構(gòu)建方法已不再適合。為此本文提出一種基于數(shù)據(jù)庫的鋼軌疲勞裂紋動生渦流場仿真平臺構(gòu)建方法。該方法分兩步實現(xiàn):首先建立不同的鋼軌幾何裂紋模型,通過ANSYSMaxwell有限元求解后,將結(jié)果數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中,如此循環(huán)往復(fù),最終建立3D高速鋼軌疲勞裂紋庫,然后在3D仿真平臺上選擇不同裂紋類型跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的幾何參數(shù)界面,對給定的鋼軌裂紋幾何參數(shù)和速度,調(diào)用3D高速鋼軌疲勞裂紋庫進行查詢,最終將仿真結(jié)果顯示于界面,開發(fā)流程如圖11所示。

圖11 三維仿真模塊開發(fā)流程

在3D仿真平臺構(gòu)建過程中,通過查看ANSYSMaxwell的仿真文件,發(fā)現(xiàn)每一次仿真結(jié)果數(shù)據(jù)量非常大(>200GB),主要為仿真流程產(chǎn)生的數(shù)據(jù),分別為動靜態(tài)網(wǎng)格劃分文件、磁場分布文件、仿真結(jié)果文件等,如果這些文件直接全部存儲于數(shù)據(jù)庫,會降低結(jié)果顯示的及時性。因此通過數(shù)據(jù)獲取技術(shù),在C#程序里添加SQL查詢語句,將不同速度、不同位置下的磁矢量勢提取存儲于數(shù)據(jù)庫后,直接調(diào)用顯示需要的結(jié)果數(shù)據(jù),以此解決了存儲數(shù)據(jù)量大和查詢緩慢的問題。

4 仿真系統(tǒng)開發(fā)實例

按照上述基礎(chǔ)理論和開發(fā)流程,以某鋼軌為對象對三個模塊進行實例開發(fā)。在金屬構(gòu)件解析計算模塊中,在一定參數(shù)范圍內(nèi),可根據(jù)數(shù)學(xué)模型提示輸入需計算的參數(shù)裂紋參數(shù),點擊計算按鈕完成計算,并將磁場計算結(jié)果存儲并顯示,如圖12所示。鋼軌疲勞裂紋無損檢測2D仿真模塊參照幾何模型和運動模型參數(shù)化的流程建模、仿真后,通過結(jié)果顯示按鈕可獲得仿真結(jié)果,從結(jié)果可知裂紋位置并實現(xiàn)對不同參數(shù)下的計算結(jié)果做對比分析,如圖13所示。鋼軌RCF裂紋無損檢測3D仿真模塊中,首先選擇裂紋類型,然后輸入裂紋參數(shù)、線圈參數(shù)、激勵參數(shù)等,并將這些輸入?yún)?shù)作為索引條件,通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫,將存儲的數(shù)據(jù)在界面上動態(tài)顯示,可實時查看不同時刻仿真結(jié)果,如圖14所示。

圖12 金屬構(gòu)件解析計算模塊開發(fā)實例

圖13 鋼軌RCF裂紋無損檢測2D仿真模塊界面

圖14 鋼軌RCF裂紋無損檢測3D仿真模塊

5 仿真系統(tǒng)開發(fā)實例

5.1 靜態(tài)裂紋參數(shù)對電渦流磁感應(yīng)強度的影響

將鋼軌矩形裂紋深度設(shè)定為2mm、寬度設(shè)定為2mm時,分別設(shè)置矩形裂紋長度為2mm、4mm、6mm、8mm、10mm和12mm時,采用金屬構(gòu)件解析計算模塊分析裂紋長度與Bz峰值的關(guān)系,如圖15(a)所示。將鋼軌裂紋深度設(shè)定為2mm、長度設(shè)定為2mm時,設(shè)置矩形裂紋寬度分別為2mm、4mm、6mm、8mm、10mm和12mm時,分析鋼軌傷損的矩形裂紋寬度與Bz峰值的關(guān)系,如圖15(b)所示。

圖15 矩形裂紋與Bz峰值的關(guān)系曲線

從圖15(a)中可看出,當(dāng)鋼軌傷損中直裂紋深度為2mm、寬度為2mm時,隨矩形裂紋長度增加磁感應(yīng)強度Bz峰值隨之增加。從圖15(b)中可看出,當(dāng)鋼軌傷損的矩形裂紋深度為2mm、長度為2mm時,隨矩形裂紋寬度增加,磁感應(yīng)強度Bz的峰值也隨之增加。

5.2 2D高速鋼軌RCF裂紋對電渦流磁感應(yīng)強度的影響

采用仿真系統(tǒng)中高速運行下鋼軌RCF裂紋2D和3D仿真模塊,可實現(xiàn)對動生渦流磁場分布與鋼軌RCF裂紋深度與寬度的定量分析。當(dāng)直流激勵電壓為5V,提離距離為0.5mm,線圈內(nèi)徑、外徑和高度分別為10mm、10.5mm和8mm,線圈匝數(shù)為200匝時,得到檢測速度為5m/s和20m/s時鋼軌內(nèi)部動生渦流分布圖,如圖16所示?？煽闯?隨檢測速度增加,鋼軌中動生渦流越強,且趨膚效應(yīng)和拖影效應(yīng)越明顯。

圖16 動生渦流分布圖

當(dāng)檢測速度為20m/s時,裂紋寬度為0.5mm,深度分別為1mm、2mm、4mm、5mm和6mm時,可得到P1點處(如圖9所示)磁感應(yīng)強度水平(X軸)分量Bx和豎直(Y軸)分量By值,裂紋深度與Bx、By關(guān)系曲線如圖17所示。當(dāng)裂紋深度為6mm,寬度為0.5mm、1.0mm、1.5mm和2.0mm時,同樣可獲取P1點處的Bx和By值,得到如圖18所示裂紋寬度與磁感應(yīng)強度的關(guān)系曲線。

圖17 不同裂紋深度與磁感應(yīng)強度的關(guān)系曲線

圖18 不同裂紋寬度與磁感應(yīng)強度的關(guān)系曲線

從圖17可觀察到,隨裂紋深度增加,Bx峰值隨之增加,而谷值逐漸減小并消失;By峰值與谷值的絕對值(即△Bx)增加。但隨裂紋深度增加,By峰值和谷值的絕對值(即△By)變化趨勢均減緩。因此,可通過磁感應(yīng)強度Bx、By峰值和谷值對裂紋深度進行識別。從圖18中同樣可得出,隨裂紋寬度增加,Bx和By峰值增大,By谷值的絕對值也增大。同時,如圖18(b)所示,隨著裂紋寬度的增加,By的峰值與谷值之間的距離△x增加。因此可通過Bx、By峰值和谷值對裂紋的深度和寬度進行識別。

5.3 3D高速鋼軌RCF裂紋對電渦流磁感應(yīng)強度的影響

為分析不同鋼軌裂紋對磁感應(yīng)強度的影響。設(shè)置巡檢速度為20m/s,裂紋寬度為0.8mm,裂紋深度分別為0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm時,研究磁感應(yīng)強度峰值X方向和Y方向的變化情況,其X方向、Y方向的磁感應(yīng)強度的峰值隨裂紋深度的變化曲線分別如圖19(a)和19(b)所示。

從圖19(a)的X方向磁感應(yīng)強度峰值變化曲線可以看出,隨著裂紋深度的增加,檢測到的磁感應(yīng)強度增強。從圖19(b)的Y方向磁感應(yīng)強度峰值變化曲線可以看出,隨著裂紋深度的增加,檢測到的磁感應(yīng)強度增強。進一步分析對比X方向和Y方向的磁感應(yīng)強度峰值的相對大小,發(fā)現(xiàn)X方向的磁感應(yīng)強度峰值小于Y方向的磁感應(yīng)強度峰值。

6 總結(jié)

本文設(shè)計開發(fā)了適用于鋼軌RCF裂紋電渦流檢測評估仿真系統(tǒng),通過該系統(tǒng)可實現(xiàn)渦流無損檢測電磁場的快速解析計算,也可對運動狀態(tài)下鋼軌中滾動接觸疲勞裂紋的特征參數(shù)和動態(tài)電磁場的關(guān)系進行深入研究,為提出鋼軌滾動接觸疲勞裂紋的定量、快速無損檢測方法提供支撐。此外,該系統(tǒng)在C#平臺上聯(lián)合MATLAB、ANSYSMaxwell和數(shù)據(jù)庫技術(shù),將靜態(tài)電磁場的晦澀難懂的解析計算過程和動態(tài)電磁場的復(fù)雜建模過程進行封裝,在降低系統(tǒng)的使用難度的同時,可實現(xiàn)含不同RCF裂紋的高速鋼軌電磁場的快速計算和快速可視化。

因此該系統(tǒng)不僅可用于提出鋼軌RCF裂紋的電渦流無損定量檢測方法、正向逆向問題研究、探頭優(yōu)化設(shè)計和試驗驗證,也為進一步構(gòu)建鋼軌RCF裂紋的無損快速定量化檢測系統(tǒng)對應(yīng)的數(shù)字孿生系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。