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电磁层析成像关键问题及其在高铁车轮探伤中的应用研究

刘向龙  
【摘要】:近十年左右,我国高铁技术得到了突飞猛进的发展,已经发展成为国家层面的战略。高铁车轮是高铁车辆与钢轨接触的唯一运动部件,工作在非常复杂的应力状态下,导致疲劳条件下微小的缺陷也很容易出现应力集中现象,加快扩散速度,有可能导致疲劳裂纹等故障。因此,对高铁车轮作定期的无损检测对保障行车安全和人们的生命财产安全意义重大。电磁层析成像(electromagnetictomography,EMT)技术具有非接触、非侵入、无辐射、低成本、快速成像等特性,并且具有对导电和导磁材料同时敏感的测量优势。本文探索了一种新颖的高铁车轮缺陷检测方法,研究了将电磁层析成像技术应用在高铁车轮探伤中的可行性和有效性。本文的主要研究内容如下:(1)研究了 EMT的正问题和逆问题以及灵敏度矩阵求解的三种方法,并研究了 EMT探伤传感器的理论和数值分析方法,重点研究了有限元方法及其在EMT求解中的应用。(2)提出了一种L1-Lp图像重建算法,该算法构造了新的目标泛函,该目标泛函利用L1范数作为数据项,Lp范数作为正则化项,将EMT逆问题转换成最优化问题,改善了图像重建算法对数据误差的敏感性,仿真和实验结果表明了该算法的有效性。(3)提出了一种修正的Landweber迭代图像重建算法,通过在电磁层析成像逆问题目标泛函中添加正则化项,改善了重建图像的质量和收敛过程。仿真和实验结果均表明了修正Landweber迭代算法的可行性和有效性。(4)研究了 O型EMT传感器中线圈数量对重建图像质量的影响,使用有限元仿真软件搭建了仿真研究平台,采用五种不同线圈数量的传感器分别对被测物场中的五种典型电导率分布进行数值仿真。根据得到的重建图像质量,确定了一定传感器尺寸下的最佳线圈数量。(5)研究了直接3D EMT成像的理论,包括3D EMT正问题、灵敏度矩阵和3D EMT逆问题。直接3D EMT研究的问题主要包括3D传感器布局、测量策略、数值仿真研究、3D图像重建算法以及3D显示等。搭建了直接3D EMT有限元仿真模型,进行了数值仿真,重建图像结果验证了直接3D EMT成像技术的可行性和有效性。(6)根据高铁车轮的结构特性和材料的电磁特性,设计了 U型EMT传感器,搭建了高铁车轮电磁层析成像探伤系统有限元模型,针对典型的浅表缺陷进行了仿真和图像重建。进而搭建了高铁车轮电磁层析成像探伤实验系统,包括探伤台架的设计加工、U型传感器的设计加工、信号发生和数据采集模块的设计以及信号调理和通道切换模块的设计等,利用搭建的系统对典型缺陷进行了实验研究。


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