压电压磁层合结构界面裂纹检测的电磁探伤仪及检测方法技术

本发明专利技术公开了一种压电压磁层合结构界面裂纹检测的电磁探伤仪及检测方法，所述的压电压磁层合结构界面裂纹检测电磁探伤仪，主要包括涡流磁探头组件、自动扫描架、底座、置物台、伺服电机、X轴移动架驱动控制器、Y轴移动架驱动控制器、电源、主控制器。利用涡流磁探头可以检测到漏磁场，将检测到磁场信息由引线传输至主控制器内并转化为相应的裂纹信息数据，再发送至计算机主机，可以精确地得到待检测的压电压磁层合结构界面裂纹的位置、大小，为后面的构建模型提供准确的数据信息。利用本发明专利技术的新的增强函数的扩展有限元方法模拟出的J积分相比其他数值方法会更加精确、偏差较小，为压电压磁结构的分析和设计提供强有力的保障。

Electromagnetic flaw detector and detection method for interface crack detection of piezomagnetic laminated structures

The invention discloses an electromagnetic flaw detector and a detection method for the interface crack detection of the voltage and magnetic laminating structure, and the electromagnetic flaw detector of the interface crack detection of the voltage and voltage magnetomeric structure, mainly including the eddy current magnetic probe module, the automatic scanning frame, the base, the device table, the servo electric machine, the X axis moving frame drive controller, and the Y axis shift. The frame drive controller, power supply and main controller. The leakage magnetic field can be detected by the eddy current magnetic probe. The magnetic field information can be detected from the lead wire to the main controller and converted into the corresponding crack information data, and then sent to the computer host, the position and size of the interface crack in the voltage and voltage magnetomeric structure to be detected can be accurately obtained, which can be provided for the following construction model. Accurate data information. The J integral simulated by the extended finite element method of the new enhancement function of the invention will be more accurate and less deviate than other numerical methods. It provides a strong guarantee for the analysis and design of the voltage and magnetic structure.

【技术实现步骤摘要】
压电压磁层合结构界面裂纹检测的电磁探伤仪及检测方法
本专利技术涉及压电压磁材料裂纹分析
，具体是涉及压电压磁层合结构界面裂纹检测的电磁探伤仪及检测方法。
技术介绍
在科学技术飞速发展的今天，材料科学正朝着智能化和功能化的方向转变，智能结构和器件广泛应用于航空航天、信息技术、新材料技术等高科技领域并日益显示出其巨大的优势。压电压磁复合而成的磁电材料具有力电、力磁和磁电耦合特性，已成为制作传感器、换能器、制动器、记忆与记录装置等电子产品的首选材料。由于材料所固有的脆性，器件在制作和使用的过程中，不可避免的存在各种缺陷，于是，分析由于缺陷的存在而导致的磁电复合材料失效成为了众多力学工作者关注的热点。压电压磁复合材料和结构中裂纹问题的研究具有重要的理论意义。目前，已经有不少学者对这类问题进行了研究，包括压电压磁材料界面裂纹、两种不同磁电材料界面裂纹、压电压磁和磁电复合材料层间多个界面裂纹相互作用问题及单个界面裂纹的动态冲击问题等。有限元单元法是将一个物理二维模型离散成一组有限的相互连接的单元组合体进而进行分析计算的方法。该方法采用连续函数作为形函数，要求在单元内部形函数连续且材料性能不本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电压磁层合结构界面裂纹检测电磁探伤仪，其特征在于，所述电磁探伤仪主要包括涡流磁探头组件(1)、自动扫描架(2)、底座(3)、置物台(4)、伺服电机(5)、X轴移动架驱动控制器(6)、Y轴移动架驱动控制器(7)、电源(8)、主控制器(9)；所述置物台(4)位于所述底座(3)上，在置物台(4)与底座(3)之间设有永磁体(10)，所述自动扫描架(2)位于置物台(4)的上方，所述电源(8)为伺服电机(5)供电；自动扫描架(2)的上部设有导轨一(11)、导轨二(12)、X轴移动架(13)、Y轴移动架(14)；所述伺服电机(5)与分别通过所述X轴移动架驱动控制器(6)和Y轴移动架驱动控制器(7)与所...

【技术特征摘要】
1.一种压电压磁层合结构界面裂纹检测电磁探伤仪，其特征在于，所述电磁探伤仪主要包括涡流磁探头组件(1)、自动扫描架(2)、底座(3)、置物台(4)、伺服电机(5)、X轴移动架驱动控制器(6)、Y轴移动架驱动控制器(7)、电源(8)、主控制器(9)；所述置物台(4)位于所述底座(3)上，在置物台(4)与底座(3)之间设有永磁体(10)，所述自动扫描架(2)位于置物台(4)的上方，所述电源(8)为伺服电机(5)供电；自动扫描架(2)的上部设有导轨一(11)、导轨二(12)、X轴移动架(13)、Y轴移动架(14)；所述伺服电机(5)与分别通过所述X轴移动架驱动控制器(6)和Y轴移动架驱动控制器(7)与所述X轴移动架(13)及Y轴移动架(14)相连；所述导轨一(11)和导轨二(12)各有两个，两个导轨一(11)分别设置在自动扫描架(2)的两个长边上，两个导轨二(12)分别设置在自动扫描架(2)的两个短边上，所述X轴移动架(13)与导轨二(12)垂直设置，且X轴移动架(13)的两端分别安装在两个导轨二(12)上，所述Y轴移动架(14)共有两个，均与X轴移动架(13)垂直设置，且两个Y轴移动架(14)的两端分别安装在两个导轨一(11)上，所述涡流磁探头组件(1)设置在X轴移动架(13)与其中一个Y轴移动架(14)的交叉处且可以随着X轴移动架(13)和Y轴移动架(14)的移动而移动，在一个X轴移动架(13)与另一个Y轴移动架(14)的交叉处上设有高速CCD摄像头(15)，涡流磁探头组件(1)和所述高速CCD摄像头(15)均连接至所述主控制器(16)，所述主控制器(9)连接至计算机主机(17)，主控制器(9)内包含磁信号采集单元(18)、磁信号处理单元(19)、磁信号输出单元(20)、图像采集单元(21)、图像处理单元(22)、二维图像生成单元(23)、图像信号输出单元(24)，所述磁信号采集单元(18)通过引线与涡流磁探头组件(1)相连，所述图像采集单元(22)通过引线与高速CCD摄像头(15)相连，所述磁信号处理单元(19)接收磁信号采集单元(18)采集到的磁信息并进行处理，再通过所述磁信号输出单元(20)将处理后的数据发送至计算机主机(17)；所述图像处理单元(22)接收图像采集单元(21)采集到的图像信息并进行处理，然后传送至二维图像生成单元(23)，生成结构的二维图像，再通过所述图像信号输出单元(24)将二维图像数据发送至计算机主机(17)；所述应力采集传感器、电位移传感器、磁感强度传感器均通过传感器控制单元(16)与计算机主机(17)相连。2.利用权利要求1所述的一种电磁探伤仪进行压电压磁层合结构界面裂纹检测的方法，其特征在于，主要包括以下步骤：(1)利用电磁探伤仪对结构进行探测，检测到裂纹所在位置及裂纹的大小，并将检测的数据结果存储于计算机中；(2)在计算机中利用二维软件建立结构的二维二维模型，将生成的二维模型导入到有限元分析软件ANSYS16.0中，建立结构的二维有限元分析模型，划分有限元网格，并输入步骤(1)检测到的裂纹数据结果，确定存在裂纹的单元网格；(3)根据步骤(2)中采用ANSYS16.0软件建立的有限元分析模型及其网格划分，运用水平集函数来判定单元类型、加强结点和加强方式；(4)引入反映广义位移不连续的阶跃函数，并根据压电压磁层合结构界面裂纹的裂尖渐近场来推导能反映裂尖处广义应力奇异性的裂尖增强函数，进而构造出广义位移模式；(5)采用虚功原理，结合上述扩展有限元位移模式导出磁、电、机械场相互耦合的控制方程，进行离散化处理后得到刚度矩阵和广义力向量的有限元列式；(6)计算单元刚度矩阵，将广义位移不连续的单元及含有裂尖的单元，分成若干子区域采用高阶高斯积分法则进行积分，并组集总体刚度矩阵；(7)施加等效结点荷载和边界条件，解出对应的位移、电势和磁势及其导数，并进一步得到相应的应力、电位移和磁感应强度；(8)利用得到的应力、电位移和磁感应强度，采用路径无关J积分的等效面积分形式来计算总的能量释放率；利用相互作用积分技术，得到应力、电位移和磁感强度因子，将所得数据保存与计算机存储介质中。3.根据权利要求2所述的压电压磁层合结构界面裂纹检测方法，其特征在于，对结构进行有限元网格划分的具体方法为：首先在计算机中利用二维软件建立含界面裂纹的结构的二维模型，将生成的二维模型导入到有限元分析软件ANSYS16.0中，使含界面裂纹的结构的二维模型转化为含界面裂纹的结构的几何外形有限元模型，接下来采用四节点四边形单元对模型进行有限元网格划分，并对单元进行编号A1，A2，……，An，其中n是划分单元的总数，在这n个单元中有m个单元内存在裂纹，p个单元内存在裂尖，m、n和p均为自然数，网格划分结束后利用有限元软件输出所有单元的单元编号、单元节点编号和每个节点的坐标，以备后续计算。4.根据权利要求2所述的压电压磁层合结构界面裂纹检测方法，运用水平集函数来判定单元类型、增强节点和增强方式，其具体方法为：对于结构内含一界面裂纹，需采用两个相互垂直的水平集函数对裂纹进行描述，即法向水平集函数ζ(x,y)和切向水平集函数η(x,y)，这两个水平集函数均为符号距离函数，对裂纹的两个裂尖分别定义两个切向水平集函数η1和η2，并在此基础上按照η＝max(φ1,φ2)的法则定义单一的水平集函数，有了上述条件，裂纹便可由水平集函数ζ和η表示，即当η＝0且ζ＝0时为裂纹尖端，裂尖所处单元的节点应使用裂尖增强函数增强，而当η≤0且ζ＝0时为裂纹面，被裂纹面贯穿单元的节点应使用单位阶跃函数进行增强。5.根据权利要求2所述的压电压磁层合结构界面裂纹检测方法，其特征在于，所述位移为：式中，i是所有单元节点的集合，j是完全贯穿单元的节点的集合，k是裂尖单元节点的集合；Ni为相应单元节点的形函数，为单元节点的位移向量且φ和分别为电势和磁势，aj、分别为与阶跃函数函数H(x)和裂纹面增强函数Fα(x)相关的虚拟节点位移向量，对于橫观各向同性压电压磁层合结构界面裂纹问题，此加强函数可导出为如下形式：式中(r,θ)为以裂尖为坐标原点的极坐标,上标Φ是为了区分压电层和压磁层，即当函数上标Φ＝e时表述的是压电材料，当Φ＝m时为压磁材料；与此同时方程(2)中各分量可以表示为如下形式：

【专利技术属性】
技术研发人员：冯文杰，延真，马鹏，闻磊，
申请(专利权)人：石家庄铁道大学，
类型：发明
国别省市：河北,13