轨道车辆带阻尼浆铝合金地板加强筋定位检测仿真与试验研究

蒋元元 ， 宋 凯 ， 崔西明 ， 霍俊宏

（无损检测技术教育部重点试验室（南昌航空大学），南昌 330063）

0 引言

三明治结构型材凭借其质量轻、结构稳定、整体耐腐蚀性强等诸多优点，在船舶制造、航空航天、轨道交通等领域被广泛应用[1-2]，轨道车辆地板即采用三明治铝合金型材组合而成[3-4]。轨道车辆在高速运行过程中，地板内表面易出现应力腐蚀裂纹和疲劳腐蚀裂纹，采用无损检测技术在地板外表面对其埋深裂纹进行检测时，由于受到三明治结构型材加强筋的干扰，容易造成对缺陷的误判以及漏检，而且在设计过程中，为了保持车厢内的安静，在地板外表面涂有5 mm 厚吸声阻尼浆[5]，苛刻的环境造成地板埋深缺陷的检测非常困难；因此，在不去除阻尼浆的工况下，在役检测轨道车辆地板埋深缺陷具有重要的工程应用意义。

为高精度检测轨道车辆地板埋深缺陷，需要定位加强筋位置以避免产生干扰信号，学者们开展了相关的研究工作。如田松亚等[6]利用超声波探头对波纹板折线焊缝进行跟踪定位，检测误差为-0.60～-0.04 mm；吴东翰等[7]采用常规涡流检测方法进行铝板T 型接头背面筋板定位检测研究，研究结果表明该方法能够对3 mm 厚铝板背面加强筋进行定位，定位精度可达到0.48 mm；邹焱飚等[8]设计的一种能实时获取焊缝轮廓三维数据的线激光检测探头，可对表面焊缝的位置进行测量。针对带涂层金属板背面加强筋的定位检测，上述方法因阻尼浆存在导致无法耦合且提离距离较大均无法实施检测。

远场涡流检测技术（RFECT）凭借其不受集肤效应限制，而且电磁场两次穿透被检试件，从而可检测构件的深层隐藏缺陷，传统远场涡流检测技术主要应用于铁磁性管道的在役检测[9-10]。近年来，平面远场涡流检测技术发展迅速，在各领域得到了广泛的应用[11]，W.Reimche 等[12]采用远场涡流对对接焊缝进行了检测，得到了深层裂纹缺陷的信号。杨宾峰等[13]将平面远场涡流检测技术应用到飞机铆接结构件埋深缺陷的检测，研究表明远场涡流可对15 mm 厚铆接件中的缺陷进行定位检测。上述研究均取得了丰富的研究成果，推动了平面远场涡流检测技术在埋深缺陷检测方面的应用。

本研究通过ANSYS 仿真软件，建立带阻尼浆铝合金地板加强筋远场涡流检测定位模型，优化远场涡流定位检测的激励频率，研究不同宽度加强筋的检测信号特征，提出带阻尼浆地板加强筋中心位置检测信号的识别方法，最后采用试验验证仿真分析的正确性。

1 检测原理

平面远场涡流探头主要由激励/检测线圈、聚磁结构、屏蔽层等零件组成，与传统远场涡流探头激励/检测线圈同轴放置方式不同，平面远场涡流探头采用异轴放置方式如图1 所示。在对带阻尼浆地板的加强筋进行定位检测时，激励线圈产生交变磁场，由于5 mm 厚阻尼浆会严重衰减磁场强度，所以采用聚磁结构能够聚集并引导激励磁场更多的渗入铝板试件，达到检测灵敏度要求。屏蔽层可有效阻碍直接耦合磁场到达检测线圈而导致检测信号幅值容易饱和。间接耦合磁场二次穿透地板试件因而携带地板内部结构信息，处于涡流远场区域的检测线圈接收二次穿透铝板试件的间接耦合磁场，磁场在检测线圈内部产生电压信号，当探头经过加强筋位置时，磁力线发生畸变，造成检测信号幅值和相位产生波动，所以通过分析检测信号幅值的变化，可有效定位铝板下方加强筋的位置。定位扫查方式如图2 所示。

图1 平面远场涡流检测原理Fig.1 Plane RFEC principle

图2 探头定位扫查方式Fig.2 Scanning method

远场涡流的控制方程可以根据Maxwell 方程组推导得出：

式中：A 为磁矢量势， Js为电流密度，σ 为介电常数，μ 为磁导率。式（1）表示出电磁场以波的形式向周围传播，由于激励模块为柱状结构，所以将三维问题简化为二维问题，可改写为：

通过Faraday 电磁感应定律计算，可得到检测线圈的感应电压：

式中：N 为线圈匝数，A 为线圈截面积，r 为距离线圈的径向距离。

检测线圈感应电压即为所测电压，通过ANSYS有限元仿真软件计算可求出方程的解，因此，加强筋位置可通过电压幅值的变化来表征出来。

2 仿真模型

2.1 模型建立

带阻尼浆地板加强筋远场涡流定位检测模型主要由铝合金地板、远场涡流探头、阻尼浆及空气组成，模型剖面图如图3 所示。铝合金地板试件长300 mm、宽150 mm、面板厚3 mm、加强筋高度为20 mm。阻尼浆均匀分布在铝板上表面，厚度为5 mm。激励/检测线圈放置与阻尼浆表面，线圈轴线垂直于地板表面，探头平行于加强筋放置，扫查方式如图2 所示。激励线圈壁厚1 mm，匝数600 匝，检测线圈为矩型线圈，线圈壁厚1 mm，内长4 mm，内宽2 mm，匝数为800 匝，激励电流为100 mA、激励频率为0.6 kHz，模型材料属性参数见表1。

图3 三维仿真模型图Fig.3 D simulation model diagram

表1 材料属性设置Table 1 Material properties and dimensions

2.2 激励频率优化

远场涡流检测激励频率对轨道车辆带阻尼浆铝合金地板的加强筋定位结果有重要影响，为优化激励频率，设加强筋检测信号幅值为 U、幅值相对变化量为 Urel，式中， Urel=(U0-U1)/U0， U0、U1分别表示有、无加强筋时的检测电压幅值，设加强筋宽度分别为5、10、15 mm，当激励频率为0.1～1.0 kHz 时，探头扫查通过加强筋的检测结果如图4 所示。

图4 不同激励频率的远场涡流特性曲线图Fig.4 RFEC characteristics of different frequencies

图4 a 为不同激励频率下探头扫查通过加强筋的远场涡流检测信号幅值变化曲线，针对不同宽度的加强筋，检测信号幅值 U在0.1～0.6 kHz 范围内呈上升趋势，增加激励频率，5 mm 宽加强筋的检测信号幅值上升速率趋于平缓且不会出现峰值；10 mm宽加强筋的检测信号幅值在0.8 kHz时达到峰值4.74×10-5V，随后缓慢下降；15 mm宽加强筋的检测信号幅值在0.7 kHz 时达到峰值7.54×10-5V，随后快速下降。分析可知，针对不同宽度的加强筋，激励频率大于0.6 kHz 时，检测信号幅值变化规律不一致，不利于检测结果的分析。分析图4b 可知，当激励频率为0.6 kHz 时，不同宽度加强筋的幅值相对变化量 Urel达到峰值，随后 Urel处于快速下降状态。综上所述：当激励频率为0.6 kHz 时，加强筋的检测信号信噪比达到最大值，而且不同宽度加强筋的检测信号幅值变化规律均处于上升趋势；因此，选取0.6 kHz为最佳激励频率。

2.3 仿真试验研究

在仿真模型中，激励线圈为外径D=10 mm 的圆柱形空芯线圈，设加强筋宽度为H，研究H＜D、H=D、H＞D 3 种情况下的检测信号特征，设定激励频率为0.6 kHz，仿真计算得到不同宽度加强筋的检测信号如图5 所示。

图5 检测信号幅值Fig.5 Amplitude characteristic curve

由图5 可知：当H＜D 时，检测信号幅值变化曲线出现2 个峰值，分别设2 点幅值为MAX1、MAX2，在扫查过程中，当探头位于加强筋正上方时检测信号出现波谷MIN0，此时加强筋中心与激励线圈中心重合（图5a）；当H=D 时，探头靠近加强筋时检测信号幅值迅速增加，当激励线圈的空芯区域进入加强筋左端后幅值变化缓慢直至激励线圈空芯区域离开加强筋右端，此时检测信号波峰MAX1、MAX2与波谷MIN0之间的差值减小，当探头位于加强筋正上方时检测信号出现波谷MIN0（图5b）；当H＞D 时，检测信号两侧会出现“肩”的形状，分别对应激励线圈空芯区域进入加强筋左侧和激励线圈空芯区域离开加强筋右侧，探头扫查至加强筋正上方时检测信号出现峰值MAX0（图5c）。由上述分析可知，在对加强筋进行定位检测时，若检测信号出现双峰MAX1、MAX2，则2 个峰值之间的波谷MIN0所对应的位置即为加强筋的中心位置，而且此时加强筋宽度H≤D；如果检测信号出现单峰MAX0，则峰值位置即为加强筋的中心位置，而且H＞D。

3 试验验证

远场涡流试验系统如图6 所示，其中主要包括信号发生器、示波器、探头、功率放大器、锁相放大器、上位机和直流稳压电源，信号发生器产生正弦信号经功率放大器放大后加载至激励线圈使其产生激励磁场，磁场在地板试块中产生远场涡流两次穿透地板试件后被检测线圈拾取，检测信号通过锁相放大器对其进行高频噪声的滤除并产生两路直流分量，经处理后得到检测信号的幅值、相位等信息，通过信号采集系统和上位机软件完成对信息的采集和显示。试验所采用的试块为面板厚度为3 mm，加强筋宽度为3 mm 的某型号轨道车辆带阻尼浆地板试块，地板试块的截面如图7所示，试验过程中采用5 mm 厚非导电涂层代替阻尼浆。

图6 远场涡流检测系统Fig.6 Detection system

图7 试块实物图Fig.7 Test plate

激励频率为0.1～1.0 kHz，频率增加步距为0.1 kHz，远场涡流检测探头置于非导电涂层上，扫查通过地板的加强筋，检测结果如图8 所示，可知：激励频率在0.2～0.6 kHz 时，检测信号幅值处于快速上升阶段，随后幅值增势趋向平缓。激励频率为0.6 kHz 时，加强筋检测信号如图9 所示，可知，当探头中心与加强筋中心重合时，检测信号幅值达到波谷MIN0，试验检测结果与仿真结果一致，试验结果表明，利用平面远场涡流探头可完成带5 mm 厚阻尼浆铝合金地加强筋的定位检测。

4 结论

图8 频率与幅值的对应关系Fig.8 Relationship between the frequency and the amplitude

图9 检测信号波形图Fig.9 Waveform of detection signal

1）基于ANSYS 有限元仿真软件建立仿真模型，优化加强筋定位检测激励频率，针对H＜D、H=D、H＞D 的3 种宽度加强筋进行定位仿真计算。若检测信号出现双峰MAX1、MAX2，则2 个峰值之间的波谷MIN0所对应的位置即为加强筋的中心位置，而且此时加强筋宽度H≤D；如果检测信号出现单峰MAX0，则峰值位置即为加强筋的中心位置，且H＞D。

2）建立远场涡流检测系统，开展激励频率优化试验和铝合金地板加强筋定位检测试验，结果表明最佳激励频率为0.6 kHz、5 mm 厚非导电层下，该定位方法可完成3 mm 宽的铝合金地板加强筋定位检测，试验结果与仿真结果一致。

3）将平面远场涡流检测技术运用到带阻尼浆铝合金地板加强筋的定位检测中，提出的加强筋信号识别方法为带涂层金属背面筋板定位检测的研究提供技术参考。