电磁无损检测数值模拟方法
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丛 书 名：“十二五”国家重点图书出版规划项目 现代电磁无损检测学术丛书
本书以作者长年科学研究成果为基础，结合学科新进展，针对典型电磁无损检测方法，包括涡流检测、脉冲涡流检测、漏磁检测、直流电位检测以及电磁超声检测的数值模拟方法进行了系统介绍。针对各种检测方法，给出了电磁场有限元分析、信号计算的理论公式和具体计算步骤，以及程序开发思路和针对典型检测探头和检测对象的数值计算例。同时，以典型缺陷反演重构为目的，给出了检测信号反演的各种方法和计算实例，并介绍了几种检测信号高效计算方法。后给出了核能结构、复合材料、超轻多孔材料检测等方面的应用实例。本书首次系统归纳了电磁无损检测数值模拟理论和方法，对电磁无损检测和计算电磁场研究人员和研究生具有参考意义。
序1 序2 前言 第1章绪论1 1.1无损检测和电磁无损检测1 1.1.1无损检测的基本概念1 1.1.2无损检测一般原理2 1.1.3电磁无损检测方法3 1.1.4无损检测实际应用要点5 1.2无损检测典型工程背景6 1.2.1核电站结构应力腐蚀裂纹无损检测6 1.2.2燃气轮机热端叶片热障涂层无损评价7 1.2.3超轻多孔材料无损检测8 1.2.4碳纤维增强树脂基复合材料无损检测9 1.3电磁无损检测研究历史和现状10 1.4电磁无损检测数值模拟方法研究现状12 1.4.1电磁无损检测数值模拟基本过程12 1.4.2电磁无损检测正问题数值模拟方法13 1.4.3电磁无损检测反问题数值模拟方法14 1.5本书主要内容和框架15 第2章涡流检测数值模拟方法17 2.1涡流检测问题基本方程17 2.1.1涡流场基本控制方程17 2.1.2A表述涡流场基本方程18 2.1.3A*表述涡流场基本方程20 2.2涡流检测轴对称问题21 2.2.1涡流场轴对称问题控制方程21 2.2.2轴对称问题有限元离散22 2.3三维涡流检测正问题数值模拟方法25 2.3.1基于A方程的有限元边界元混合法25 2.3.2基于退化磁向量位和棱边有限元的Ar方法30 2.3.3涡流检测体积分计算方法32 2.3.4涡流检测信号计算公式34 2.4基于数据库的正问题高效求解方法38 2.5正问题求解方法验证算例40 2.5.1轴对称问题算例40 2.5.2三维涡流检测正问题算例40 2.6涡流检测反问题方法42 2.6.1基于共轭梯度方法的裂纹形状重构42 2.6.2复杂裂纹随机组合反演重构49 2.6.3基于神经网络的裂纹重构55 第3章涡流检测数值模拟新进展60 3.1带磁心涡流探头检测信号计算60 3.1.1传统三维涡流有限元模拟方法存在的问题60 3.1.2区域分解方法基本思想61 3.1.3基于插值耦合的区域分解方法63 3.1.4基于解析计算耦合的区域分解方法67 3.2各向异性复合材料的涡流检测数值模拟方法73 3.2.1碳纤维增强树脂基复合材料涡流检测及其数值模拟研究概况74 3.2.2电各向异性材料涡流分析的Ar,ArV表述75 3.2.3电各向异性对平面内涡流分布的影响79 3.2.4纤维方向对平面内涡流分布的影响79 3.2.5碳纤维增强树脂基复合材料中的涡流衰减规律82 3.2.6纤维断裂涡流检测模拟83 3.3无网格伽辽金法涡流检测数值模拟85 3.3.1移动最小二乘法构造近似解85 3.3.2涡流场的无网格伽辽金法求解基本原理86 3.3.3无网格伽辽金法求解电磁场问题应用实例93 3.3.4无网格伽辽金法存在的问题95 第4章脉冲涡流检测信号数值模拟方法97 4.1脉冲涡流检测信号数值计算方法97 4.1.1基于傅里叶级数的脉冲涡流检测信号计算方法97 4.1.2脉冲涡流信号时域积分法102 4.1.3验证与应用103 4.2脉冲涡流信号的高效数值模拟方法104 4.2.1脉冲涡流信号高效数值求解的重要性104 4.2.2体缺陷涡流检测快速求解算法104 4.2.3体缺陷脉冲涡流检测快速算法及其验证109 4.3基于共轭梯度方法的脉冲涡流反问题110 4.3.1三维管壁局部减薄缺陷的定量反演算法110 4.3.2双层结构冷却管道的管壁减薄脉冲涡流检测实验115 4.3.3基于实验信号的管壁减薄缺陷重构结果117 4.4神经网络共轭梯度复合脉冲涡流信号反演方法119 4.4.1脉冲涡流信号的人工神经网络反演算法120 4.4.2神经网络和共轭梯度混合法122 第5章直流电位检测数值模拟方法124 5.1直流电位检测电阻网络正问题方法124 5.1.1电阻网络模型124 5.1.2电阻网络法控制方程125 5.1.3电阻网络法求解过程126 5.2直流电位检测有限元数值模拟方法127 5.2.1直流电位检测信号有限元法数值模拟理论127 5.2.2数值模拟程序及算例129 5.3复杂边界缺陷处理方法130 5.3.1多介质有限单元130 5.3.2多介质单元系数矩阵计算方法131 5.3.3基于多介质单元的直流电位信号计算程序和算例132 5.4直流电位检测信号的高效计算133 5.4.1直流电位检测信号的高效数值计算理论133 5.4.2快速算法中数据库的建立方法135 5.4.3高效数值模拟方法程序的开发与正确性验证135 5.4.4基于多介质单元的数据库型快速算法135 5.5直流电位检测反问题方法137 5.5.1基于随机优化方法的直流电位检测信号反演137 5.5.2基于最速下降法的泡沫金属缺陷定量重构140 5.5.3基于混合反问题方法的泡沫金属复杂缺陷定量重构141 第6章漏磁检测数值模拟方法143 6.1静态磁场等效磁极化计算方法143 6.1.1非线性静态磁场问题控制方程143 6.1.2非线性磁性材料静磁问题的三维FEMBEM混合解法144 6.1.3程序开发和有效性验证148 6.2漏磁检测信号的高效计算方法150 6.2.1快速正问题算法基本方程151 6.2.2计算区域的缩减151 6.2.3快速算法的数值实现152 6.2.4数值算例153 6.3漏磁检测反问题154 6.3.1裂纹形状的参数化155 6.3.2裂纹形状重构算法155 6.3.3反问题求解算例156 第7章电磁超声检测数值模拟方法158 7.1电磁超声检测概述158 7.1.1电磁超声换能器的基本构造158 7.1.2电磁超声检测基本原理159 7.2洛伦兹力电磁超声检测数值模拟方法160 7.2.1基于等效磁荷法的静态磁场计算160 7.2.2脉冲涡流场和洛伦兹力的计算162 7.2.3超声波的有限差分数值计算方法163 7.2.4超声波的有限元数值模拟方法167 7.2.5基于洛伦兹力的电磁
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