使用COMSOLMultiphysics®建模NDT方法

非破坏性测试（NDT）在学术界和行业中广泛使用质量控制，产品检查，终身评估等。确保操作过程中的技术系统的安全是避免潜在生命损失的事件的关键。几乎所有NDT仪器读数都受外部因素的影响；例如，温度诱导的材料变化。其他方法明确使用耦合的测量原理，例如摩擦诱导的温度产生或压电传感系统。有很多原因可以用专用的多物理平台对NDT技术进行建模，足以定量描述当今应用的所有NDT方法。

NDT测量

在大多数情况下，NDT方法旨在“审问”感兴趣的材料或结构，并试图从测试工具提供的信号中检索一些信息。在某些方法中，这很简单，因为事件波和任何形式的不连续性之间的关系易于理解。但是，对于大多数NDT方法而言，情况并非如此。

对于主动超声测试，我们将超声波发送到材料中，并尝试从反射波中理解内部结构。在许多实际情况下，与内部结构的波相互作用对人类检查员并不直观。

建模已证明其值得阐明这种波传播和相互作用的细节。

主动热成像

在活动热成像中，我们通过外部来源（例如灯）或内部来源（例如摩擦）加热材料或结构，以引起突然的温度变化。如果存在任何不连续性，则热量重新分布与其他材料的影响不同。我们通过IR摄像机来监视此温度变化，作为时间的函数。这些温度图像以及循环加热的相位图像形成了解释的主链。但是，在实际情况下，可能会阴影，由于摄像头角度可能发生耀斑，并且其他热源或热泄漏可能会弄乱测量值。

反过来，建模有助于识别有意义的实验条件，例如测试频率或加热循环的持续时间和数量，甚至开始测量。可以人为地将不连续性（如缺陷，材料变化和空隙）（如任何形式的异常），并评估其与外部诱导的温度变化的相互作用。这允许评估所得的温度场并评估在实际检查条件下这种不连续性的预期可见性。

以下是使用锁定热成像和具有多个内部缺陷的纤维增强层压板的实验测量的相位图像进行比较。为了测试检查参数（例如频率）的有效性，以检测插入物，切口，钻孔等，此类参考机构提供了良好的首次评估。

顶部：使用锁定热力计的实验测量的相位图像，用于具有多个内部缺陷的纤维增强层压板。底部：三个测试频率的相应建模。

主动超声波

在主动超声波中，我们通过在超声波频率范围内将声脉冲发送到材料中，然后检测其回声来检查材料和结构。这种超声波的解释是经验丰富的测试人员最容易获得的。由于在实际测试场景中声波传播的复杂性及其与任何内部不连续性的相互作用，因此许多结论都取决于比较测量或非常保守的标准。

凭借建模的力量，人们可以开始可视化超声波在结构内部的传播，并“看到”其与任何不连续性的相互作用。这显着改善了实验信号的解释。通过对传感器的多物理建模，还可以优化其设计并为给定检查条件选择适当的选择。这对于找到合适的测试频率和入射角特别有用，但也有助于了解超声波的转化如何转化为电信号。

如下图所示，使用专用的多物理模型，将2D轴对称传感器模型与测试结构内感兴趣区域的3D模型相结合。可以将所得的电压信号直接与实验信号进行比较，并允许评估模型内部缺陷的可检测性。

左：检查几何形状的示意图（以黑色概述），包括换能器模型下方的音量作为感兴趣区域（ROI）。右：将声波场的内部相互作用的可视化与ROI中的某些孔相关。

引导海浪

使用超声波的另一种测试方法称为引导波测试。在薄壁结构中，由于一个轴（例如厚度方向）在一个轴上的几何限制而形成了这种引导波。在平坦的结构中，这些引导波被称为板波，而在管中，这些被称为圆柱波。

为了检查管道，这些波浪非常有利，因为它们允许一次射击检查大部分管道。但是，对于经典的主动超声测试，与内部不连续性的相互作用更具挑战性。原因是形成了多个不同的波模式，这些模式又与内部不连续性独立相互作用，甚至可能在反射后分为更多模式。在建模中，它们的传播行为的可视化有助于极大地理解给定检查条件下的波动运动类型。多物理学建模还可以有效检查影响因素，例如温度诱导的传播介质变化。

该示例提供了与板中的一个孔相互作用后短暂地在板中心激发的两个不同波模式的比较，并将销钉焊接到板上。尽管直径相同，但最终的波场是不同的。虽然低频引导波模式不受障碍物的影响，但高频波模式可提供严重的相互作用，从而提供了检测能力。

左：波场的快照散射在板内的孔中。右：与焊接引脚相互作用后波场的快照。

声发射

声发射方法使用直接连接到材料或结构的压电传感系统。与地震相似，大量的大小，材料中微观裂纹的发生会导致弹性波，该波浪在超声波范围内发出。这种声发射的出现指示材料的损伤状态，并且可以使用传感器阵列进行三角剖分。但是，对记录信号的解释非常具有挑战性。大部分解释是根据标准和准则中的运营商或估计值的经验进行的。

通过对完整过程进行建模，可以实现有关声发行的全新观点。这需要动态裂纹传播的机械建模，其转化为超声波及其波传播。最后，需要充分捕获使用压电传感器的检测过程，因为它对信号信息具有很大的影响。为了满足这些要求，需要一个多尺度和多物理模型。

具有将结构力学与瞬态波建模和压电转换联系起来的能力，可以很容易地实现如下所示。从特定缺陷类型的基于断裂机械的模型开始，可以轻松地得出所得的弹性波传播。通过专用的压电传感器建模，这允许转换为电信号并与实验信号进行直接比较。

左：应力场的固定建模位于凹口尖端。中心：使用内聚区建模的动态裂纹传播。右：裂缝后的波场的传播。

涡流

为了检查导电材料，经常应用涡流测试。该测量是基于使用换能器内部的AC驱动线圈的（主要）磁场对测试材料内部涡流的激发。通过换能器的拾取线圈记录了由涡流产生的较小（次级）磁场。如果材料内部的任何不连续性（例如，裂纹），会影响涡流的形成，并检测到其反馈到拾音器线圈中。因此，所有信号解释均基于拾取线圈的电阻抗变化。与声学方法非常相似，对电阻抗的这些变化的解释需要彻底的技能和经验。尽管具有严格的身体原则，但互动的机制还是很难教学和理解的。

探针相互作用与周围环境的建模有助于捕获涡流测试的关键原理。此外，可以评估新的探针设计及其对检测缺陷的敏感性。使用最先进的电场和磁场建模，再加上P-Spice电路建模，这是一种简单的方法。

下面是围绕涡流探头头形成的主要磁场线的视图。缺陷（例如裂纹）的存在会导致涡流流动模式发生明显变化并影响磁场。探针与缺陷的存在反应是从涡流诱导的磁场的耦合与检测线圈的阻抗进行评估的。

涡流流动模式（蓝色）的建模接近缺陷以及与磁场线（红色）的相互作用，以检测探针内线线圈（橙色）的阻抗变化。

其他NDT方法

除了上述示例外，许多其他常用的NDT方法还可以受益于多物理模型。对于液体渗透测试，可以对毛细管作用进行建模。磁性颗粒测试中的适应症的形成是根据接近不连续性的泄漏场的建模计算的。在热力学方法中可以获得剪切照相中温度诱导的变形水平。可以计算微波或Terahertz波与内部结构的相互作用，并优化了探针的设计。

最后，凭借其独特而易于结合不同类型的物理学的能力，ComsolMultiphysics®软件也有助于未来NDT技术的开发。这些倾向于越来越多地是多物理学概念，并从专门的建模与实验开发一起受益匪浅。问题不是可以建模NDT方法，而是所需的细节水平是否超过了可用的计算资源。

关于作者

哈比尔博士。马库斯·索斯（Markus Sause）在奥格斯堡大学（University of Augsburg）学习了物理学，并于2010年在同一地点获得了实验物理学博士学位。他在2010年获得了“ Erich-Krautz-Preis”，因为他对纤维增强材料的声学发射的杰出贡献。2015年，他在实验物理学方面取得了成功。自2016年以来，他一直是材料资源管理研究所奥格斯堡大学的教授。2019年，他获得了德国NDT协会（DGZFP）的“科学奖”，因为他对非破坏性测试领域的杰出贡献。自2014年以来，他一直是EWGAE执行委员会的成员，并活跃于其他几个委员会，致力于对纤维增强材料进行测试和分析。他的研究兴趣涵盖了纤维增强复合材料的力学，它们的破坏性和无损性测试以及解释材料行为的数值方法，导致> 100个出版物。给出了特别的重点，以弥合破坏性测试方法与无损检查之间的差距原位材料故障的分析。