高铁钢轨涡流无损探伤技术的高效电磁建模方法研究

High-speed railway occupies a pivotal position in our transportation system. In order to ensure the security of high-speed railway, it is especially important to research on non-destructive evaluation technique since the safety of rail is the basis of running locomotive and rolling stock. Compared to other testing techniques, eddy current testing is suitable for detecting surface flaw of high-speed rail with advantages of high sensitivity, efficient detection, no coupling agent and remote sensing. Since the principle of eddy current testing is electromagnetic induction, it is significant and essential to research on electromagnetic modeling and simulation technique of eddy current testing for flaw detection of rail. This project focuses on electromagnetic modeling and efficient simulation method of eddy current non-destructive evaluation technique for high speed railway. The integral equation model is proposed and moment method is used to solve the problem accurately. Then, research on electromagnetic mechanism, analytical model and numerical solution of eddy current source. Hybridization of multi-level adaptive cross approximation, adaptive sampling and parallel computation technique is applied to improve the efficiency. This hybrid simulation system is able to provide accurate and efficient results of electromagnetic properties of rail, resulting in essential theoretical basis and simulation database for development of eddy current non-destructive evaluation of rail in high-speed railway.

高速铁路在我国交通运输体系中占据非常重要的地位，钢轨是高铁机车车辆运行的基础，研究钢轨的无损探伤技术对保障高铁运营安全尤为重要。与其它探伤技术相比，涡流探伤具有灵敏度高、探测速度快、不需要耦合剂、无需接触等特点，适合探测钢轨表面的接触性损伤。由于涡流探伤的物理机理是电磁感应，因而研究相应的电磁模型和仿真技术，是涡流探伤技术研究中的重要环节，具有重要意义。本项目主要研究高铁钢轨涡流探伤的电磁建模和高效仿真方法，提出涡流探伤的积分方程模型，并采用矩量法对模型进行精确求解。与此同时，研究涡流激励源的电磁机理，并提出激励源的解析和数值模型。为了提升计算效率，提出采用多层ACA技术、自适应采样技术、并行技术构造混合计算平台，实现对高铁钢轨电磁特性的精确、高效仿真，为高铁钢轨涡流探伤技术的发展提供理论依据和仿真数据。

高铁在我国交通运输体系中占据非常重要的地位，研究高铁钢轨的无损探伤技术对保障高铁运营安全尤为重要。与其它探伤技术相比，涡流探伤具有灵敏度高、探测速度快等特点，适合探测钢轨表面的接触性损伤。由于涡流探伤的物理机理是电磁感应，因而研究相应的电磁模型和仿真技术，是涡流探伤技术研究中的重要环节，具有重要意义。本项目主要研究高铁钢轨涡流探伤的电磁建模、仿真及检测方法，提出激励源的解析和数值模型，提出涡流探伤的积分方程模型，并搭建采用多层ACA技术、自适应采样技术构造的混合计算平台。与此同时，搭建实验平台验证理论成果，为高铁钢轨涡流探伤技术的发展提供理论依据和仿真、实验数据。. 课题研究内容包括钢轨的几何建模、基于解析公式的平面波和涡流源建模、基于积分方程的电磁特性建模、基于多层快速多极子和多层自适应交叉近似的矩量法建模、钢轨缺陷仿真和实验验证等。项目中主要从精确建模和高效仿真两方面提出了一些解决思路和方案：(1) 提出涡流激励源的解析模型。从电磁机理出发，推导涡流线圈通电后，产生的辐射场表达式，并作为矩量法计算Stratton-Chu方程的右边项。(2) 提出Stratton-Chu方程的低频、高电导率的近似表达形式，用于简化高铁钢轨电磁特性的计算。(3) 提出加速高铁钢轨电磁特性计算的混合策略，包括采用MLACA加速矩量法求解、采用自适应采样方法实现快速扫描、采用并行技术等。(4) 利用依托单位的资源，实现高铁涡流探伤的实验平台搭建。. 课题组搭建的仿真平台能够计算钢轨电磁特性，求解相对误差低于10^-3，时间和空间复杂度均为O(NlogN)，其中N位未知量个数。实验平台在艾奥瓦州立大学的帮助下搭建，能够对金属试件进行检测，检测精度达到毫米量级。在研究过程中，共发表SCI期刊6篇、EI期刊2篇，出版专著1本，主持ACES国际学术会议无损检测分会2次，特邀会议报告1次，申请发明专利3项，获批实用新型专利2项和获批软件著作权2项。课题组的研究成果将对中国高铁安全领域的技术发展起到积极的作用。