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。

Active Thermography

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。

Modeling, in turn, helps a lot to identify meaningful experimental conditions, such as test frequency or the duration and number of heat cycles before even starting the measurement. One can artificially place discontinuities (any sort of anomalies, like defects, material changes, and voids) and assess their interaction with the externally induced temperature changes. This allows evaluating the resulting temperature fields and assessing the expected visibility for that sort of discontinuity in a real inspection condition.

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。

With the power of modeling, one can start to visualize the spreading of the ultrasonic wave on the interior of the structure and “see” its interaction with any sorts of discontinuities. This significantly improves the interpretation of the experimental signals. With multiphysics modeling of the transducers, it is also possible to optimize their design and select an appropriate choice for a given inspection condition. This is particularly helpful to find suitable test frequencies and incidence angles, but also helps to understand how conversion of the ultrasonic wave into an electrical signal happens in general.

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

The acoustic emission method uses piezoelectric sensing systems directly attached to a material or structure. Similar to earthquakes on a much larger scale, the occurrence of a microscopic crack in a material causes an elastic wave, which is emitted in the ultrasonic range. The occurrence of this acoustic emission is indicative of the damage status of a material, and its sources can be triangulated using a sensor array. However, the interpretation of the recorded signals is quite challenging. Much of the interpretation is carried out based on the experience of the operators or estimates found in standards and guidelines.

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。

With the ability to link structural mechanics with transient wave modeling and piezoelectric conversion, such can be readily achieved, as seen below. Starting with a fracture-mechanics-based modeling of a particular defect type, the resulting elastic wave propagation can readily be derived. With dedicated piezoelectric sensor modeling, this allows conversion into an electrical signal and direct comparison with experimental signals.

Left: Stationary modeling of a stress field localized at a notch tip. Center: Dynamic crack propagation using cohesive zone modeling. Right: Propagation of a wave field after a crack has come to rest.

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。

Modeling of the probe interaction with its surroundings helps capture the key principles of eddy current testing. Moreover, new probe designs and their sensitivity to detect defects in given scenarios can be assessed. Using state-of-the-art electrical and magnetic field modeling, coupled with P-Spice circuit modeling, this is a straightforward approach.

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。

Other NDT Methods

In addition to the examples presented above, many other commonly applied NDT methods can benefit from multiphysics modeling. For liquid penetrant testing, capillary action can be modeled. Formation of indications in magnetic particle testing is calculated from the modeling of leakage fields close to discontinuities. The level of temperature-induced deformation in shearography can be obtained in thermomechanical approaches. The interaction of microwaves or terahertz waves with the internal structure can be calculated, and the design of the probes optimized.

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in situanalysis of material failure.