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Zerstörungsfreie Prüfanwendungen: TEAM-Problem 15

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WEBINAR
Magnetostriction Modeling of Transformer's Noise
Thursday, December 16, 2021
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Gebrauchte Werkzeuge:

Wirbelstromprüfung

Die zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) wird heutzutage häufig für viele Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, im Erdöl- und Tiefbau sowie in vielen anderen Fertigungs- und Serviceumgebungen zur Gewährleistung von Sicherheit und Produktionsqualität eingesetzt. Die Wirbelstromprüfung (ECT) ist eine zerstörungsfreie Prüfungstechnik, mit deren Hilfe Oberflächen elektrisch leitender Materialien unter Anwendung elektromagnetischer Gesetze effizient untersucht werden können. Die Verwendung von Kupplungsflüssigkeiten oder jeglicher Kontakt mit der Probe ist nicht erforderlich. Neben der Prüfung von Oberflächen- und Untergrundfehlern können mit ECT verschiedene Materialeigenschaften bestimmt, Korrosion festgestellt usw. werden.

Computergestütztes Design und Simulation helfen bei der Verbesserung und Implementierung von ECT-Techniken. In diesem Beispiel werden die EMS-Ergebnisse für das TEAM-Problem 15 - Rechteckiger Schlitz in einer dicken Platte validiert.

Beschreibung und Zielsetzung des Problems [1]

Die Versuchsanordnung ist schematisch in Abbildung 1 dargestellt. Hier wird eine kreisförmige Luftspule parallel zur x-Achse entlang des rechteckigen Schlitzes in einer Aluminiumlegierungsplatte verschoben. Die aktuelle Frequenz und der Spulenhub sind fest, während die Änderung der Spulenimpedanz in Abhängigkeit von der Spulenposition gemessen wird. Die Parameter für dieses Testexperiment sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Das Ziel besteht darin, die Änderung der Impedanz der Spule (verglichen mit ihrem Wert über einem nicht fehlerhaften Teil der Platte) als Funktion der Spulenposition zu berechnen. Die EMS-Ergebnisse werden mit den Benchmark-Ergebnissen verglichen.

Tabelle 1- Parameter von Simulation und Testexperiment

Die Spule
Innenradius (mm) 6.15
Außenradius (mm) 12.4
Länge (mm) 6.15
Abheben (mm) 0,88
Der Prüfling
Dicke (mm) 12,22
Der Defekt
Länge (mm) 12,60
Tiefe (mm) 5.00
Breite (mm) 0,28
Andere Parameter
Anregungsfrequenz 900 Hz
Hauttiefe 3,04 mm
Isolierte Spuleninduktivität 221,8 mH

Die folgende Abbildung zeigt ein 3D-CAD-Modell des simulierten Problems.

CAD-Modell eines simulierten NDT-Beispiels
Abbildung 1 - CAD-Modell eines simulierten NDT-Beispiels

Studie

Das Wechselstrommagnetmodul von EMS wird verwendet, um Ergebnisse wie magnetische Flussdichte, Wirbelstromdichte und Verlustdichte für eine sinusförmige Erregung zu berechnen. Andere von EMS angegebene Ergebnisse sind Totaleddy-Stromverlust, Joule-Verlust, Impedanzmatrix usw. Diese vier Schritte sollten befolgt werden, um eine magnetische Wechselstromsimulation in EMS durchzuführen:

  1. Erstellen Sie eine neue magnetische Wechselstromstudie
  2. Tragen Sie geeignete Materialien auf die Teile auf
  3. Legen Sie eine geeignete Spule (spannungs- oder stromgesteuert) mit der richtigen Erregung an.
  4. Vernetzen Sie die Simulation und führen Sie sie aus
Dank der Symmetrie wird nur das halbe Modell simuliert, um die Lösungszeit zu begrenzen und die Ergebnisse durch Verwendung eines feineren Netzes genauer zu machen.

Materialien

Die Spule besteht aus Kupfer mit einer hohen Leitfähigkeit von bis zu 57e + 7 (S/m), während das Probenmaterial eine Leitfähigkeit von 3,06 e + 07 (S/m) aufweist.

Zurückhaltung laden

Der Sensor ist hier die Spule. Tabelle 2 enthält die Spuleneigenschaften.

Tabelle 2 - Spuleneigenschaften

Anzahl der Züge Aktuelle Größe Aktuelle Frequenz
Gewickelte Spule 3790 6.15 A 900 Hz

Da in diesem Beispiel die Symmetrie ausgenutzt wird, sollte der Tangentialfluss auf Flächen in Bezug auf die Symmetrieebene hinzugefügt werden, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.

Vorschau des angelegten Tangentialflusses

Abbildung 2 - Vorschau des angelegten Tangentialflusses

Gittergewebe

Die Netzqualität ist für jede FEM-Simulation von entscheidender Bedeutung. Die Ergebnisgenauigkeit und die Lösungszeit hängen stark von der Maschenweite ab. Mit EMS kann der Benutzer die Maschengröße von Volumenkörpern und Flächen über die Netzsteuerungsfunktion steuern. In diesem Beispiel wird eine Maschensteuerung auf die die Spule umgebende Luftdomäne angewendet. Die Luft im Riss ist mit einer maximalen Elementabmessung von 0,1 mm ebenfalls feinmaschig. Die gesamte Probe ist zu dick, um mit einer so kleinen Elementgröße in Eingriff zu kommen. Durch Aufteilen mit SOLIDWORKS-Features werden zwei Körper erhalten, und auf den oberen Körper wird ein Netzsteuerelement angewendet (Abbildung 3).


Vermaschtes Modell
Abbildung 3 - Meshed Model

EMS-Ergebnisse

Eine parametrische Analyse in EMS ermöglicht es dem Benutzer, entweder geometrische oder Simulationsparameter (aktuell, Anzahl der Windungen, Häufigkeit, Maschengröße…) zu erfassen. im konkreten fall muss der abstand zwischen riss und spulenmitte variabel sein. Nach dem Ausführen der parametrisierten Simulation mit fehlerhafter und fehlerfreier Probe. Die Ergebnisse aller Szenarien werden jeweils in einer Studie angegeben.

Die durch EMS berechnete Induktivität der isolierten Spule beträgt 214,98 mH. Die Abbildungen 4 und 5 zeigen einen Vergleich der Wirbelstromverteilung auf der Platte bei Vorhandensein und Nichtvorhandensein des Defekts.

Stromdichteverteilung bei fehlerhafter Platte
Abbildung 4 - Stromdichteverteilung bei fehlerhafter Platte

Stromdichteverteilung bei Platte ohne Fehler
Abbildung 6 - Stromdichteverteilung bei fehlerfreier Platte


Die absolute Impedanz wird wie folgt berechnet:

Vertikales Balkeninkrement öffnen Z Vertikales Balkeninkrement schließen entspricht der Quadratwurzel von Inkrement X zum Quadrat plus Inkrement R zur Quadratendwurzel

Wobei X und R jeweils die Reaktanz und der Widerstand der Spule sind.

Inkrement X entspricht Omega-Inkrement L

Die Abbildungen 6 bis 9 zeigen einen Vergleich zwischen EMS und den Benchmark-Ergebnissen sowie Impedanz- und Phasenvariation. Die EMS-Lösung stimmt sehr gut mit den TEAM 15-Ergebnissen überein.


EMS- und Benchmark-Ergebnisse der Delta-L-Variation.
Abbildung 6 - EMS- und Benchmark-Ergebnisse der Delta-L-Variation.

EMS- und Benchmark-Ergebnisse der Delta-R-Variation
Abbildung 7 - EMS- und Benchmark-Ergebnisse der Delta-R-Variation.

Absolute Impedanzänderung
Abbildung 8 - Absolute Impedanzänderung

Phasenänderung
Abbildung 9 - Phasenänderung

Fazit

Wechselstrom - Magnet - Modul von EMS kann verwendet werden , um die Wirkung von Wirbelströme haben auf der Spuleninduktivität und Verluste in dem Material zu erfassen, ist es das Simulations Werkzeug der Wahl für eine Vielzahl von Wirbelstromprüfung Anwendungen. Es hilft, effizient genauere und zuverlässigere Oberflächen- und Untergrundfehlermelder zu entwickeln. Die Ergebnisse des UMS werden durch Vergleich mit den Ergebnissen des TEAM-Problems 15 bestätigt.

Verweise

[1]: [h0]