Advanced modeling in Lorentz force eddy current testing

Weise, Konstantin GND

Nowadays, there is an increasing demand on reliable and efficient methods to evaluate materials and components in a nondestructive way. Particularly in the field of aerospace engineering, the components are subject to fulfill high quality and safety standards, which necessitate methods with a high accuracy, repeatability and inspection speed. This work deals with the nondestructive testing method Lorentz force eddy current testing. Unlike traditional eddy current methods, the induction process is based on relative motion between a permanent magnet and the object under test. An integral part of this thesis is the development of a new magnet system with improved characteristics. The proposed design is based on the Halbach principle and is made of Neodymium-Iron-Boron alloys. Besides that, it contains a piece made of highly saturating iron-cobalt. In this sense, it was possible to increase and focus the magnetic flux density in the vicinity of the specimen. The development of a decent optimization strategy allows to determine problem specific magnet designs in dependence on the measurement requirements. In the further course of this thesis, numerical simulations are performed addressing the uncertainty and sensitivity analysis of the system. Therefore, the model parameters are investigated in terms of their statistical properties. The resulting stochastic electromagnetic field problem is solved by means of the generalized polynomial chaos technique in combination with the finite element method. This enabled the identification of most influencing parameters in the system. In the context of the uncertainty analysis, it is observed that the velocity obeys characteristic oscillations. In order to deepen the understanding of this phenomenon, an analytical approach is presented to evaluate the electromagnetic fields and forces while taking into account the resistive and inductive character of the moving conductor. Finally, an alternative Lorentz force eddy current testing system is proposed where the object under test is encompassed by a ring magnet. The working principle is exemplified by theoretical considerations. This work contributes to increase the knowledge and understanding about Lorentz force eddy current testing and intends to advance the current state of the art with new and innovative approaches.

In der heutigen Zeit steigt der Bedarf an effizienten und leistungsfähigen Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Werkstoffen und Bauteilen rasant an. Besonders in den Bereichen Luft- und Raumfahrttechnik unterliegen die Bauteile hohen Qualitätsstandards im Sinne der Sicherheit. Dies setzt Verfahren mit hoher Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Schnelligkeit voraus. Diese Arbeit befasst sich mit der Methode der Lorentzkraft-Wirbelstromprüfung. Im Gegensatz zu klassischen Induktionsverfahren werden die Wirbelströme aufgrund einer Relativbewegung zwischen einem Permanentmagneten und dem Prüfobjekt hervorgerufen. Ein zentraler Gegenstand dieser Arbeit stellt die Entwicklung eines neuen Magnetsystems dar. Dieses basiert auf dem Halbach-Prinzip und besteht neben den bekannten Neodym-Eisen-Bor Legierungen aus einer Eisen-Kobalt-Verbindung mit hoher Sättigungsmagnetisierung. In diesem Sinn war es möglich die magnetische Flussdichte in der Nähe des Prüfkörpers zu fokussieren und zu verstärken. Die Entwicklung einer geeigneten Optimierungsroutine erlaubt die flexible Identifikation der Magnetgeometrie in Abhängigkeit der gestellten Anforderungen. Im weiteren Verlauf wurden numerische Simulationen zur Unsicherheits- und Sensitivitätsanalyse durchgeführt. Im Zuge dessen wurden die Modellparameter hinsichtlich ihrer statistischen Eigenschaften untersucht. Das zugrunde liegende stochastische Feldproblem wurde mit Hilfe der Methode des "Generalized Polynomial Chaos" gelöst. Dies ermöglichte die Identifikation der wichtigsten Einflussgrößen im System. Im Zusammenhang mit der Unsicherheitsanalyse wurden charakteristische Oszillationen der Relativgeschwindigkeit zwischen Permanentmagnet und Prüfkörper beobachtet. Um diese Phänomene besser verstehen zu können, wurde ein analytischer Zugang entwickelt, der die Bestimmung der elektromagnetischen Felder und Lorentzkräfte ermöglicht. Zu guter Letzt wird ein alternatives System zur Lorentzkraft-Wirbelstromprüfung vorgestellt, indem der Prüfkörper von einem Ringmagneten umschlossen ist. Die prinzipielle Funktionsweise des neuen Systems wird mit theoretischen Vorbetrachtungen in Form von analytischen Lösungen aufgezeigt. Die Arbeit vertieft die Kenntnisse über die Lorentzkraft-Wirbelstromprüfung und enthält neue sowie innovative Ansätze, die den Stand der Technik vorantreiben.

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Weise, Konstantin: Advanced modeling in Lorentz force eddy current testing. Ilmenau 2016.

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