一种新型EMAT圆柱探头的三维有限元分析

　　0 引言

　　电磁超声换能器是电磁超声检测设备的核心部件[1 -2]，是用电磁方式激发和接收超声波的传感器，因其非接触耦合检测的特性成功将超声应用到了高温高速等恶劣检测环境中。如今，电磁超声已被应用到压力容器、管道、火车车轮等多种对象的检测中，成为了无损检测一种新的有效方法。EMAT 换能效率的高低与线圈传感器的形状密切相关，现在广泛使用的线圈形状有螺旋线圈和曲折线圈两种平面线圈[3]，为此，提出了一种新式立体线圈———空心圆柱线圈。由于电磁超声换能过程涉及多场耦合问题，作用机理非常复杂，传统的解析方法难以分析，而有限元法能方便灵活地处理非线性问题以及多场耦合问题，成为求解电磁场的主要手段，故在建立线圈物理模型的基础上采用有限元法探究该种线圈的各种参数对换能效果的影响。

　　1 电磁超声原理

　　电磁超声换能过程中会产生三换能机制: 洛伦兹力、磁致伸缩和磁性力，其中，洛伦兹力广泛存在于各种导体检测中，而后两种力主要存在对铁磁性物体的检测中[4]。对于非铁磁性导体，把通有高频电流的线圈放置在金属物体附近时，由于电磁感应效应，高频磁场H 在金属物体表层内产生感生涡流JE，如果同时在该金属物体附近施加一稳定外磁场B0，则磁场将与感生涡流相互作用产生交变的洛伦兹力fL致使金属原子振动，并以一定方式传播出去，就可以产生超声波。该过程的逆效应就是利用 EMAT 接收超声的原理。

　　根据电磁学原理，换能过程可表述为

式中: JC为激发电流密度; EE为交变磁场产生的交变电场强度; σ 为导体电导率; μr为导体相对磁导率。

　　2 仿真方法

　　有限元分析是将分析对象离散成有限个单元，单元通过节点相互连接，然后利用能量原理建立各单元矩阵方程，再求解势函数值即可[6]。

　　2. 1 前处理

　　定义空气、线圈与试件的材料属性: 设空气和线圈的相对磁导率为1，线圈电阻率为1. 68 ×10^{- 8}Ω·m; 试件相对磁导率为 500，电阻率为9. 18 ×10^{- 8}Ω·m. 空心圆柱线圈可被当作绞线圈单元处理处理，采用solid97 载流单元建模，在对线圈的真实尺寸进行计算后通过定义绞线圈实常数并赋予模型，可真实地表现线圈形状尺寸: 扁平导线截面宽0. 5 mm; 长9. 0 mm; 线圈内径 33 mm; 外径33. 5 mm; 高 99 mm; 相邻导线间距1 mm;共10 匝; 线圈下端面距离试件距离0. 5 mm. 试件长120 mm，宽60 mm，高30 mm，处于磁场强度为 1 T 的磁场中。建立的3 - D 模型如图1 所示，建立空气域远场单元，给体赋予材料属性并划分网格。这里主要观察试件表面的情况，因此将试件和线圈网格划分得相对密一些，而空气域划分得相对稀疏些，尽量减小不必要的计算量。然后创造CIRCU124 绞线圈电路单元，耦合有限元模型的绞线圈，使用独立电流源产生激励电流。网格和耦合结果如图2 所示。