基于平面矩形螺线线圈自互感应的碳纤维复合材料涡流无损检测技术研究

发布时间：2020-09-30 21:24

　　随着碳纤维复合材料(carbonfiber-reinforcedplastics,简称CFRP)在各大工程领域中得到广泛的应用,利用无损检测技术来提前发现其在生产制造和使用过程中产生的各种缺陷,对保证生产生活中的安全和促进CFRP的应用发展,具有非常重要的作用。目前,针对CFRP的无损检测方法主要有六种,但因各个方法的检测方式和有效检测内容的不同,每种方法又各有其优缺点和适用领域。其中,传统的涡流无损检测法(eddycurrenttesting,简称ECT)由于其技术相对成熟,且具有非接触式检测、无需任何辅助介质、易实现快速自动化检测和成本低廉等特点,正逐渐成为CFRP无损检测技术研究的热点。本文针对目前常用的管式涡流检测线圈均需要定制加工,制造成本高,且各线圈参数差异大的缺点,探讨了一种利用印刷电路板(printedcircuitboard,简称PCB)工艺制造的平面矩形螺线线圈来进行CFRP涡流无损检测的新技术。本文的研究内容主要包括四个方面:第一个方面,针对现有平面矩形螺线线圈阻抗计算复杂耗时的问题,在前人研究的基础上,提出了一种新的涡流线圈阻抗描述法——顶点位形法。利用顶点位形法,实现了对任意复杂的平面正交线圈(包括平面矩形螺线线圈)阻抗的快速建模。第二个方面,借助顶点位形法的阻抗新模型,本文研究了平面矩形螺线线圈的ECT特性,设计制作了一款基于PCB单平面矩形螺线线圈的ECT探头。同时,构建了相应的ECT平台,并开展了对多种CFRP材料板的扫查检测研究。结果表明,所设计的ECT探头对CFRP上的割痕和冲击两种缺陷具有良好的检测能力。第三个方面,在所提平面矩形螺线线圈阻抗模型的基础上,又进一步推导了空间中任意位置的两个平面矩形螺线线圈之间的互感模型。第四个方面,借助所提的新互感模型,设计了一款T-R(transmitter-receiver)模式的新型双平面矩形螺线线圈探头。利用该T-R探头,又分别对多种CFRP试样上的多类缺陷进行了扫查研究。结果表明,该T-R探头不仅对CFRP上割痕、纤维弯曲、纤维缺失和异常分布等缺陷具有良好的检测能力,且还具有良好的纤维走向检测能力。本研究是利用PCB平面螺线线圈对CFRP进行ECT检测的有效尝试,不但丰富了 CFRP电磁无损检测的相关研究,还可为进一步实现大规模PCB制造的ECT阵列扫查提供研究基础和条件。
【学位单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN41
【部分图文】：

碳纤维复合材料,金属材料

材料进行大规模量产应用。后来，随着航空和料才逐渐被用于替换金属材料来制造一些次的主要结构元件制造材料使用。逡逑随着科学技术的发展和进步，ＣＦＲＰ的制造工因其性能堪比金属材料，具有高强度、高比模异特性，但又具有密度低、导热、导电和热膨应用于众多领域［２，３］。逡逑领域，ＣＦＲＰ被广泛地用于替代金属材料制造件，以起到减轻飞行器重量，从而提高飞行性新的国产民用大型客机Ｃ９１９机身材料中近１５四代战机Ｆ２２的制造材料中复合材料的用量比音７８７飞机采用的ＣＦＲＰ比例则达到了空前的５

矩形线圈,矩形截面,线圈

现有方法的思路是先将其拆解为多个单矩形子线圈，再通过坐标平移逡逑来计算各子线圈的自阻抗和两两线圈之间的互阻抗，最后通过各子线圈串联来实逡逑现复杂线圈总阻抗的等效计算１７４，７５］。而当该方法应用到形状无约束的任意正交折逡逑线线圈时，因线圈结构复杂，拆解难度较大，计算过程将异常复杂耗时。因此，逡逑为了建立平面矩形螺线线圈的涡流阻抗模型，本章首先从单矩形线圈入手，建立逡逑最简单的正交折线线圈阻抗模型；然后，提出一种全新的线圈描述法来描述线圈逡逑外形，进而将单矩形线圈的阻抗模型进一步推广应用到平面螺线线圈。逡逑２．１单矩形线圈的阻抗模型逡逑２．１．１面积描述法逡逑Ｔ．Ｐ．邋Ｔｈｅｏｄｏｕｌｉｄｉｓ和Ｅ．Ｅ．邋Ｋｒｉｅｚｉｓ在矩形线圈的中心建立坐标系，提出了面积逡逑描述法［７６］。下面，我们对利用面积描述法实现线圈阻抗求解的原理进行简单介绍。逡逑

矩形线圈,矩形截面,俯视图,描述法

描述法［７６］。下面，我们对利用面积描述法实现线圈阻抗求解的原理进行简单介绍。逡逑真空＂逦Ｚｔ逦２ｙ．逡逑图２Ｊ含矩形截面的单矩形线圈逡逑如图２．１所示，将一矩形截面的单匝矩形线圈放置于一个无限大的各项同性逡逑的导体上方高处。导体的电导率和磁导率分别为0？和／／邋，以导体表面为ＪＣ－ｙ平逡逑面，以垂直导体表面并且穿过矩形线圈中心的直线方向为ｚ轴方向，建立直角坐逡逑标系。设矩形线圈导线中心骨架的长为宽为２ｘｒｆ，线圈导线线宽为ｗ、厚逡逑１１逡逑

【参考文献】