Теоретические и вычислительные аспекты магнитостатических методов контроля качества изделий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

На правах рукописи

РГб Ой

1 3 ЛГл ?1(Г)

УМЕРГЛЛИНА ОЛЬГА ВАЛЕРЬЕВНА

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ

01.04.11.- физика магнитных явлений

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Екатеринбург 2000

Диссертационная работа выполнена в отделе математической и теоретической физики Института физики металлов УрО РАН

Научные руководители: доктор физико-математических наук Дякин В.В.

доктор технических наук Сандовский В.А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Защита состоится 22 декабря 2000 г. в 10 часов на заседанш диссертационного совета Д 002.03.01 в Институте физики металлов УрС РАН по адресу: 620219, г.Екатеринбург, ГСП-170, ул. С. Ковалевской, 18

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Института физии металлов УрО РАН

Автореферат разослан ноября 2000 г. Учёный секретарь диссертационного совета

Куркин М.И.

доктор физико-математических наук Мужицкий В.Ф.

Ведущая организация - Уральский государственный университет

им. А.М. Горького

доктор физико-математических наук

З/Ал 3 - -/д 4 3 П

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Наряду с другими способами контроля для проверки качества готовых изделий и полуфабрикатов из ферромагнитных материалов 1 на практике широко применяются магнитные методы [1]. С их помощью решаются три основные задачи неразрушающего контроля: (а) - измерение основных размеров изделий (толщинометрия); (б) - обнаружение нарушений сплошности, существенно влияющих на механические свойства изделия (дефектоскопия); (в)- определение состава (структуроскопия). Принципиальная возможность разрешения каждого из этих вопросов связана с тем, что доступное измерению и изучению результирующее поле намагниченного объекта зависит от его геометрической формы и от свойств материала, из которого оно изготовлено. Изучение характерных особенностей такого влияния и составляет основную задачу магнитного контроля. Одними только экспериментальными методами такая задача решена быть не может, поэтому возникает естественная необходимость в построении физической и математической моделей явления, в исследовании и решении надлежащих уравнений.

Формирование теории магнитных методов контроля главным образом обязано трудам Р.И. Януса [2,3], C.B. Вонсовского [4], А.Б. Сапожникова [1] и других учёных. Не смотря на то, что проблема развития теоретических подходов к решению задач магнитного контроля имеет свою давнюю историю, она и на сегодняшний день является достаточно актуальной. Рассмотрению некоторых аспектов этого научного направления и была посвящена настоящая диссертационная работа.

Аналитические решения задачи магнитного контроля даже при условии ju - const получены для крайне ограниченного числа моделей объектов контроля и источников внешнего поля. Так, точно решены задачи о безграничной магнитной среде, содержащей ограниченные поверхностью

з

второго порядка полости или включения и находящейся в однородном внешнем поле [1]. Корректный учёт границы изделия проведён в задаче об однородно намагниченном полупространстве со сквозным цилиндрическим отверстием [5]. Теоретическую основу при разработке многопараметровых методов контроля [6] составляют задачи, решённые без упрощающего предположения об однородности внешнего поля. Дополнительная работа по получению точных решений весьма полезна, поскольку таковые, помимо общепознавательной и прикладной ценности, представляют из себя надёжный материал тестирования иных, более сложных по своей постановке задач, к которым необходимо применять процедуру численной реализации.

В расчётных задачах магнитного контроля часто используются неограниченные модели реальных тел. Вопрос существования и единственности решения магнитостатической задачи для ограниченных областей разрешён, а для неограниченных областей он требует к себе внимания.

Задачи для областей с дефектами, как правило, не разрешимы аналитически. Наиболее распространённый подход к ним заключается в том, что дефект моделируется в виде какой-либо определённой комбинации магнитных зарядов. К подобным модельным представлениям прибегают при рассмотрении как поверхностных, так и внутренних дефектов, полагая при этом, что плотность магнитных зарядов на торцах дефекта - величина постоянная. Это неопределённая константа затем вычисляется путём сравнения с экспериментом. Поскольку топографии поля дефекта и распределения магнитных зарядов совпадают, то соответствие расчётов эксперименту здесь не является удивительным. Плотность магнитных зарядов есть величина, пропорциональная нормальной составляющей вектора напряжённости искомого магнитного поля на торцах дефекта, и дополнительные предположения о характере её зависимости от координат позволяют, конечно, продвинуться в решении задачи, но вряд ли являются корректными. По этой причине для прикладных задач магнитной дефектоскопии не помешает

применить более последовательный подход к их решению, который не требовал бы привлечения пусть и разумных, но излишних предположений на начальном этапе постановки задачи. В общем случае этот подход приводит к необходимости разработки машинных алгоритмов решения с контролируемой погрешностью, к чему мы также обращаемся в своей работе.

В настоящее время разрабатыватся много алгоритмов численного решения задач, в которых проводится учёт реальных свойств среды. Для проверки их теоретической достоверноверности и точности также необходимо прибегнуть к конструированию точно решаемых примеров, с помощью которых можно было бы проводить тестирование результатов машинного решения. Именно такую задачу мы и поставили в своей работе. Так цель работы состояла в рассмотрении некоторых теоретических и вычислительных аспектов магнитостатических методов контроля качества изделий по следующим направлениям:

1. обоснование существования и единственности решения магнитостатической задачи для безграничных моделей реальных тел при широких предположениях о характере свойств среды;

2. получение точных решений однородных задач магнитостатики для областей без дефектов и с дефектами, помещённых в произвольное внешнее поле;

3. разработка, тестирование и оценка точности алгоритма численного решения однородных задач магнитной дефектоскопии; решение с помощью данного алгоритма ряда практических задач;

4. построение тестовых (точно решаемых) примеров задач для тел с неоднородными и нелинейными свойствами среды для проверки точности и трудоёмкости вновь создаваемых алгоритмов.

Научная новизна.

1. Доказана теорема существования и единственности решения основной задачи магнитостатики для неограниченных моделей реальных тел в предположении квадратичной суммируемости внешнего поля по объёму

этих тел, т.е. при условии, которое имеют место для широкого круга практических задач.

2. Получено точное решение однородной задачи магнитостатики для эллиптического цилиндра в произвольном внешнем поле.

3. Точно решена задача для пластины, находящейся в поле приставного электромагнита.

4. Получено аналитическое решение однородной магнитостатической задачи для помещённой в произвольное внешнее поле области, ограниченной двумя бесконечными несоосными цилиндрами.

5. Предложен алгоритм численного решения задач магнитной дефектоскопии с контролируемой погрешностью, с помощью которого получены решения прикладных задач.

6. Предложена точно решаемая задача для шара, находящегося в однородном внешнем поле и имеющего модельную зависимость магнитой проницаемости от координат вида ji(r) = с0 ехр(аг).

Практическая ценность.

1. Доказанная теорема существования и единственности решения магнитостатической задачи для неограниченных моделей реальных тел подтверждает правомерность использования последних для проведения практических расчётов.

2. Анализ зависимости напряжённости магнитного поля от толщины пластины и зазора между пластиной и приставным электромагнитом указывает на возможность применения полученных результатов к решению обратных задач по определению толщины пластины и толщины немагнитных покрытий.

3. Результаты решения магнитостатической задачи для бесконечных несоосных цилиндров могут служить хорошей основой при решении обратной задачи магнитостатики и получении точного решения при заданной конфигурации внешнего поля.

4. Предложенный алгоритм численного решения задачи магнитной дефектоскопии допускает возможность прямого практического его использования при расчётах полей иных сложных систем, состоящих из источника внешнего поля и исследуемой области.

5. Решение неоднородной магнитостатической задачи может служить тестовым материалом для оценки достоверности различных алгоритмов численного решения задач магнитостатики.

На защиту выносятся:

1. Теорема существования и единственности решения основной задачи магнитостатики для безграничных моделей реальных тел.

2. Точное решение однородной задачи магнитостатики для области в виде бесконечного эллиптического цилиндра, расположенной в произвольном двумерном внешнем поле.

3. Точное решение задачи магнитостатики для пластины в поле приставного электромагнита.

4. Точное решение однородной задачи магнитостатики для расположенной в произвольном двумерном внешнем поле области в виде бесконечного цилиндра с несоосным цилиндрическим включением.

5. Алгоритм численного решения однородных задач магнитной дефектоскопии.

6. Точное решение неоднородной магнитостатической задачи для шара с модельной зависимостью магнитной проницаемости от координат вида р(г) = с„ ехр(ог).

Публикации. По теме опубликовано 5 печатных работ.

Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения и

списка литературы; содержит 117 страниц, 21 рисунок. Список литературы

включает 86 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы, кратко обрисовывется степень её проработанности на настоящий момент, обозначаются аспекты исследования. За основу выбирается основное интегральное уравнение магнитостатики [7]

Н(?) = H\r) + Vdiv J i^p^ldF', (,)

* Ащг - г I

где г eR3, Н°(г) - внешнее поле, fi- магнитная проницаемость внутри области Q. Уравнение (1) достаточно решить внутри занятой магнетиком области; вне Q решения получаются автоматически. При условии ц = const (1) принимает вид

(2)

Из (2) достаточно получить значения нормальной составляющей напряжённости магнитного поля на поверхности S области О, а остальные решения получаются также простой подстановкой в (2).

В первой главе рассматривается однородная магнитостатическая задача для областей без дефектов. В первую очередь даётся обзор работ, посвященных исследованию и решению подобного рода задач и обозначаются направления исследований.

Во втором параграфе главы предлагается доказательство существования и единственности решения однородной и неоднородной магнитостатической задачи для безграничных моделей реальных тел в предположении квадратичной суммируемости внешнего поля по объёму этих тел. При этом условии устанавливается, что интегро-дифференциальный оператор уравнения (1) и в случае, когда область безгранична, обладает основными свойствами, установленными для ограниченных областей. Затем на основе принципа сжатых отображений доказывается необходимая теорема. На частном примере

полупространства показано, что конечное решение также принадлежит классу квадратично суммируемых вектор-функций. Результаты справедливы и для двумерной задачи магнитостатики.

В третьем параграфе приводится точное решение задачи для бесконечного элиптического цилиндра, намагниченного произвольным двумерным внешним полем. Для решения используется интегральное уравнение, записанное в системе плоских эллиптических координат и вытекающее из (2). В результате получены окончательные выражения для напряжённости магнитного »юля внутри и вне исследуемой области, которые имеют вид:

ГГ(р) = Щр) - 2^ vjr^ i^^.ehnTmm9 +

1

OfV" — 00 ~m 1 I

H-{p) = fr'{p) - cosmV> +

Oj 1 U4m

•t---shmt„ sinm<p>,

1 + ae~~ ° J

где tt°*m,- Фурье-компоненты функции г/" (i>) = >/с/г2г0 -cos2 <рН° ((р), r0

- значение криволинеинои координаты, соответствующей эллипсу, со = ----.

(/i + 1)

Для проверки полученных общих решений рассмотрен случай однородного внешнего поля, совершён предельный переход от эллипса к окружности и пластине - тем самым воспроизводятся известные результаты.

В четвертом параграфе даётся точное решение задачи о пластине, находящейся в поле приставного электромагнита (рис.1). Каждый полюс магнита представляется в виде системы двух полуплоскостей, сформированных из токонесущих проводов, удалённых друг от друга на расстояние А.

Границы полуплоскостей - прямые в плоскости у = у0, ориентированные вдоль оси ог. Полюсы расположены на расстоянии g от

1 ||

плоскости симметрии магнита. Стенку мож- ^ ^ но представить себе как систему бесконечно тонких проводов, по которым течёт ток в направлении, указанном на рисунке.

У

) ( , Уо > <

-Л

рис.1.

Пластина в поле приставного Получены выражения для компонент поля электромагнита.

такой системы в свободном пространстве и над магнитным полупространством. Путём применения стандартной процедуры с автоматическим выбором шага проведено решение определяющего силовые линии дифференциального уравнения и выполнено их построение для постоянного магнита, находящегося в свободном пространстве и над магнитым полупространством.

В случае пластины из (2) получаем систему двух интегральных уравнений для нормальных составляющих напряжённости магнитного поля на поверхностях с координатами у = 0 и у = -с!, решение которой легко получаем с помощью преобразования Фурье.

я,м = н!(х,у) - - Шх(у2) - (1 - со)Ах(у})},

я,ы=н;(х,у)+<чЫ) - (1 - «О^ лм].

^ | 2 £ 2 2 А„ =У 0)2"\ аг^ ± + агс^'-1 --1 - агс^' V. сл с„ с„ с

лх{ь) = 1У" И

2,2 г , г, +с„ г2 +с,

2Л

2,2 2,2 г, +сп г4 +с„ ;

-x0+g + А, zг=x-x0-g-А,

zъ=x-x0+g, г4=х-х0-$ и с„=Ь+2пс1; у^=у0 + \у\; У2 = Уо + + Ы! у3=у0+с1 + \у + 4.

г

ю

Анализ зависимостей напряжённости магнитного поля от толщины пластины и зазора между пластиной и магнитом показывает возможность применения полученных результатов к решению обратных задач по определению толщины пластины и толщины немагнитных покрытий. При этом потребуется согласование с экспериментом, связанное с оптимальным выбором величины ц.

Вторая глава посвящена решению однородной магнитостатической задачи для областей с дефектами. В первом параграфе главы приводится обзор литературы и как всегда определяются задачи исследования.

Во втором параграфе приводится уI

аналитическое решение мапштоста-

не зависящее от г поле. В силу Сечение биполярных цилиндров

симметрии задачи использовалось двумерное уравнение магнитостатики для области, изображённой на рис.2, где 5'- большой круг, р. - //(р)- магнитная проницаемость в цилиндре с сечением (вне 5 /^ = 1), р =(х,у), в цилиндре с сечением 53 магнитная проницаемость , в 5, - //. В результате решения задачи найдены аналитические выражения для нормальных составляющих напряжённости магнитного поля на границах 1,(г= т,) и 1г(т = г2) области Яг

v ,г , ч сйг, -собо"v2,/ , . \

Н„2 {р)\ ^ = #г (сг) = -—-2_,\и,.т соятгт + ит $1п отсг],

где и'т,и*т - Фурье-компоненты функций и,(<т) = Нг (а)/(с/гг, -совст):

системе координат для тела, ограниченного двумя бесконечными несоосны-ми цилиндрами, оси которых параллельны оси ог, и помещенного во внешнее

тической задачи в бицилиндрической

рис.2.

плоскостью г=сопз1.

„' „ 2 и^+со^Цр™ _ 2ца иЦ +ш^рт "" М +1 \-сосо,р1п ' гм м + 1-о>й>^2т

Здесьй) = -1) /(// + \),а>4 - {/л- / С" + . /> = ехр(-(г2 -г()),/ = с,5. Тогда (2) даёт решение поставленной задачи в биполярной системе

координат, если иметь в виду формулы преобразования от декартовой системы

координат к биполярной. Если в конечных формулах положить г, -> 0 и

Н° = (0,//„), то можно получить выражения компонент поля для случая полупространства со сквозным цилиндрическим отверстием в продольном однородном стороннем поле. Подобная задача была решена в [5] методом изображений, и наши результаты для этого частного случая полностью согласуются с [5].

Чаще всего задачи для областей с дефектами не разрешаются аналитически. Рассмотрению таких задач и посвящается четвёртый параграф главы, где предложен алгоритм решения задач магнитной дефектоскопии, в основе которого лежит метод сеток. Сначала путём применения квадратурной формулы составляется дискретный аналог уравнения

пг \р-р\

методом Гаусса решается алгебраическая система линейных уравнений, определяются значения нормальной составляющей вектора напряжённости магнитного поля в точках разбиения, а затем простой подстановкой в уравнение (2) - собственно компоненты поля. Применение алгоритма к тестовым задачам позволило оценить точность в зависимости от плотности узлов сетки; с помощью стан-

У /1=1

/у

' ч

-Л 12

рис.З.

Дефект в виде эллиптического цилиндра в пластине.

дартной процедуры оценки числа обусловленности матрицы системы [8] проведена апостериорная оценка влияния погрешностей округления на результаты. Показана практическая сходимость результатов с увеличением числа узлов сетки.

С помощью этого алгоритма решены две задачи, имеющие практическое значение для магнитной дефекоскопии. Первая задача заключалась в определении поля пластины с дефектом в виде бесконечного эллиптического цилиндра, расположенного под произвольным углом к поверхности пластины. Картинка, иллюстрирующая постановку задачи, - на рис.3. Установлено, что при плотности дискретизации порядка 50 точек на единицу длины относительная ошибка, связанная с выбором разбиения и с приближенной записью пределов интегрирования, не превышает 0,03%, а относительная ошибка, вызванная накоплением погрешностей округления при выполнении машинных операций с плавающей точкой, -10"". Осуществлена проверка численного решения путём рассмотрения частных случаев точно решаемых задач: об эллиптическом цилиндре в безграничном магнитном про-

(а)

(б)

й=0,04; ЬЩ04 11=0,08; Ь=0,02

1 40

1.20

! 00 -

X

X

-0.50

0.50

-0 50

0 50

0.00

0.00

рис.4.

Компоненты напряжённости магнитного поля в пластине /1=0,5; ,, =700 с дефектом У "-0'*: У=0; у=0.05; (а)-тангенциальная составляющая;(б) - нормальная составляющая.

рис.5.

Тангенциальная (а) и нормальная (б) составляющие поля приу=О,05для пластины ¡1=0,5; /¿=100 с дефектом а-0,1; ¡>=0,05; у=-0,15 при различном угле наклона.

странстве [1] и о полупространстве с дефектом в виде кругового цилиндра. Здесь же выявлен ряд практически важных зависимостей поля дефекта от параметров задачи. На рис.4 показано влияние на результирующее поле величины полуосей эллипса (рис.4) -сигнал от дефекта тем выше, чем сильнее последний вытянут в поперечном к магнитному потоку направлении, препятствуя тем самым его распространению.

На практике встречаются дефекты, ориентированные под произвольным углом к поверхности изделия. Некоторым аналогом такого дефекта является наклонный эллипс, компоненты поля которого приводятся на рис.5. Видно, что при этом наблюдаются характерные искажения симметричности кривых. На рис.6 даны зависимости максимального значения тангенциальной

0.00 0.40

рис.6.

Зависимость максимального значения тангенциальной составляющей поля от глубины погружения дефекта Р при у=о,05; ''-200 и различной толщине пластины; а=0,08; Ь=0,01

составляющей поля от глубины залегания дефекта р, под которой понимается кратчайшее расстояние от верхнего края дефекта до верхней границы изделия. В последнем случае наблюдается эффект, связанный с увеличением поля дефекта при приближении его к нижней границе пластины, отмеченный ранее в экспериментах. Результаты расчётов находятся в качественном соответствии с основными особенностями формирования поля дефектного изделия, установленными экспериментально.

Вторая задача состояла в определении поля пластины конечного сечения с дефектом в виде кругового цилиндра, намагниченной приставным электромагнитом, модель которого описана в предыдущей главе (рис.7). Установлено, что при плотности разбиений порядка 50 точек на единицу длины связанная с дискретизацией относительная ошибка решения не превосходит 1,5%. За счёт увеличения плотности разбиения контуров интегрирования до 120 точек она может быть уменьшена до 0,02%. Относительная погрешность округлений в ходе гауссова исключения не больше 10"'°, что опять же значительно меньше ошибки, связанной с выбором плотности разбиения. Путём увеличения продольного размера пластины показано, что результат численного решения сходится к результату точного решения, полученному в первой главе: компоненты поля для пластины конечного сечения при я ~2 на интервале л; е(-1,8;1,8) отличаются от результатов для бесконечной пластины приблизительно на 3,4% , а при 5 = 3 и дг е(-2,8;2,8) - на 1,7%, что в рамках точности численного решения можно считать неплохим совпадением. Вблизи края пластины появляются характерные деформации кривых составляющих

у / "Ч

V е ТХе

-й рис.7.

Пластина конечного сечения

с дефектом в поле приставного электромагнита.

0.00

вектора напряжённости магнитного поля. При удалении от тела компоненты результирующего поля приближаются к внешнему полю, что хорошо иллюстрирует хотя бы рис.8.

На рис.9 приводятся сравнительные графики зависимостей компонент вектора напряжённости магнитного поля для бруска без дефекта и бруска с дефектами различного радиуса: при увеличении радиуса дефекта растут «деформации» кри- о. 10 вой, соответвующей случаю бездефектного образца, при этом изменения в тангенциальной составляющей более ярко выражены. Пик вблизи точки х - 2 возникает вследствие влияния края 0.00 — бруска.

Для более подробного рассмотрения степени деформации рассматривается поле дефекта

0.00

~г~

1.00

I

3 00

4.00

2.00

рис.8.

Влияние края бруска (¿=о,2,>= 100^=2 ) на тангенциальную составляющую, внешнее ноле создаётся постоянным магнитом с параметрами*о=0; уо=0,2,у=3; Маркировка - для бесконечной пластин

— без дефекта 7 - Не=0,02

2 - 1^0,04

3 - Ке=0,06

0.05 -

0.00

н*{у) ~ И'{у)

Я!

'(у)'

1.00 рис.9.

Тангенциальная составляющая для бруска (5=2; </=0.2; >1=100) с дефектом радиусаЯ<,; р=0,02;х^4 магнит - Ха=0; у-0,03.

где Н^ - поле бруска без дефекта, Я^ - поле бруска с дефектом. В ходе

расчётов установлено, что максимальное поле дефекта наблюдается в межполюсной области; когда же дефект располагается под полюсом магнита, его выявляемость ухудшается (рис.10). Влияние боковой грани пластины сказывается на некотором увеличении поля дефекта и на изменении в симметрии кривых зависимости от координаты х компонент поля дефекта. Анализ зависимостей компонент поля дефекта от глубины его залегания

К=0,<»

0.05 —

0.00

0.00 1.00 рис.10.

Зависимость максимального значения ташенциальной составляющей поля дефекта от его месторасположения.

0.02

ЯгО.М

¡1=0,3; 8=2;^ =100;

показывает, что, когда он приближается 0.10 к нижней границе, то поле слегка возрастает (рис.11), совершенно аналогично тому, что было установлено при решении предыдущей задачи. Увеличение толщины пластины приводят к уменьшению поля дефекта. Расчёты также показывают, что во всех случаях наибольшее поле дефекта наблюдается на верхней границе бруска и уменьшается с увеличением расстояния между поверхностью и измерительным элементом.

Отметим некоторые недостатки данных задач. Во-первых, при постановке задач используются бесконечные модели как самого изделия, так и дефекта; 0 01 во-вторых, при решении подразумевается постоянство магнитной проницаемости, что является достаточно грубым приближением. Тем не менее полученные результаты качественно соответствуют основным физическим закономерностям формирования поля дефектного изделия и вполне могут служить основой при решении обратной задачи магнитостатики, имеющей практическое приложение.

Третья глава посвящается рассмотрению неоднородной и нелинейной задачи магнитостатики. В первом параграфе делается обзор работ, связанных с

0.00

0.00

—I—

о.ю

0.20 рис. 11.

Зависимость от глубины залегания максимального значения тангенциальной составляющей поля дефекта; магнкт - Ха=0; у¿>0,2; £=1.

решением неоднородных и нелинейных задач магнитостатики, с целью выявления таких, которые содержали бы доказательства существования и единственности решения при тех или иных моделях нелинейности, а также алгоритм их решения, с тем, чтобы в последующем иметь базу для исследований в данном направлении. Для проверки точности и трудоёмкости вновь создаваемых алгоритмов необходимо обратится к построению тестовых (аналитически решаемых) задач. С этой целью и был предпринят расчёт, представленный во втором параграфе, где получено решение одной неоднородной магнитостатической задачи.

Если среда неоднородна, то решение векторного уравнения (1) в отличии от случая с fx = const уже не является гармонической функцией и

представляется в виде суммы проекций на подпространства ¿/(О) и <5(0) [9]:

При этом для определения функций 7 и у/ получена система уравнений

которая используется для решения задачи о помещённом во внешнее однородное поле //° = (0Д//о) шаре радиуса га с модельной зависимостью магнитной проницаемости вида //(г) = //(/■) = с„ ехр(аг).

В результате решения получены выражения для поля внутри и вне шара, которые соответственно имеют вид:

#' = Vy + V?7;V77ei?(Q),Vy еС(Q).

~ А,' ^ > А.'

где

' or (arf (а,-)3 (а?-)4

!-----h--... П. а

4-5 4-5-6 4 -5-6-7 )

\

V 3

3 2 + /|(г0)£'

Ь = г0Я'(г0)//?(г0). Путём предельного перехода к однородной задаче (1 = 1) получен известный результат [1]. Поля вне неоднородного и однородного шара совпадают по конфигурации. Внутри неоднородного шара поле перестаёт быть однородным, что хорошо иллюстрируется картиной эквипотенциальных поверхностей, построенных для случаев, когда параметр неоднородности среды а > 0 (рис.12) и а < 0 (рис.13).

рис.12. 2 00 --,

рис.13.

0.00

-2.00

0.00

-2.00

0 00

2 00

-2.00

В третьем параграфе на основе предположений, которые имеют место в практических задачах, на основе принципа Шаудера и принципа сжимающих отображений доказана теорема существования и единственности решения нелинейной магнитостатической задачи, которая имеет силу как для случая ограниченных, так и неограниченных моделей реальных тел. За основу в доказательстве принимается преобразование интегрального уравнения, предложенное в [10]. С целью оценки скорости сходимости процедуры последовательных приближений аналитически решена простая задача о нахождении поля однородно намагниченного нелинейного шара, с модельной зависимостью магнитной проницаемости вида //(М) = //„ + /г2М2, где

М - модуль вектора намагниченности, а/1, > 0. Хотя число итераций для достижения практической точности не велико (порядка 30), в более реальных задачах оно будет существенно выше. Кроме того, данный пример наглядно иллюстрирует, что именно решение линейной магнитостатической задачи наиболее предпочтительно в роли начального приближения. В заключении приводятся основные выводы работы, обозначаются перспективы дальнейших исследований, которые состоят в рассмотрении магнитостатической задачи для областей с конечными дефектами.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1.Для часто используемых при практических расчётах неограниченных моделей реальных тел доказана теорема существования и единственности решения основной задачи магнитостатики при условии, что поле внешних источников тока квадратично суммируемо по объёму этих тел. На частном примере полупространства показано, что и окончательное решение также принадлежит классу квадратично суммируемых функций. Результаты справедливы как для трёхмерных, так и для двумерных задач магнитостатики. Приведённое доказательство обосновывает правомерность использования ограниченных моделей для решения целого ряда магнитостатических задач вообще и задач магнитного контроля в частности.

2. Получено точное решение двумерной задачи магнитостатики при ц = const в плоских эллиптических координатах при произвольном внешнем поле. Дстоверность результатов общего решения обоснована путём предельного перехода к ранее решённым задачам.

3. Получено точное решение задачи о пластине, помещённой во внешнее поле приставного электромагнита. Результаты могут быть использованы для решения обратной задачи магнитной толщинометрии по определению толщины пластин и толщины немЙнитных покрытий.

Приведено точное решение однородной задачи магнитостатики в бицидиндрических координатах (область, ограниченная несоосными цилиндрами в неоднородном двумерном внешнем поле). Путём предельного перехода, превращающего внешний цилиндр в плоскость, а область в полупространство со сквозным цилиндрическим отверстием, установлено соответствие полученных результатов с уже имеющимися.

5. На основе метода сеток разработан алгоритм численного решения задач магнитной дефектоскопии. Алгоритм протестирован на точно решаемых задачах, показана практическая сходимость результатов решения при увеличении плотности разбиения контуров интегрирования и оценены погрешности машинного эксперимента, возникающие как за счёт дискретизации, так и за счёт ошибок округления при приближённых вычислениях с плавающей точкой. Показано, что при надлежащих условиях ошибка не превосходит 2%. С помощью этого алгоритма решены две задачи магнитной дефектоскопии и выявлен ряд типичных зависимостей поля дефекта от параметров поставленных задач.

6. Доказана теорема существования и единственности решения нелинейной магнитостатической задачи в предположении, что среда изотропна, а связь между намагниченностью и напряжённостью поля задаётся основной кривой намагничивания. Полученное доказательство имеет силу как для ограниченных, так и для неограниченных моделей реальных тел в двумерных и трёхмерных задачах магнитостатики.

7. С целью расширения базы для проверки сложных алгоритмов численного решения магнитостатических задач получено точное решение одной неоднородной задачи о шаре с экспоненциальной модельной зависимостью магнитной проницаемости от координат. Построены поверхности постоянного потенциала, иллюстрирующие влияние неоднородных свойств среды на особенности формирования поля такого объекта. Методом

последовательных приближений решена задача о шаре с нелинейной зависимостью магнитной проницаемости от поля. Основные результаты опубликованы в следующих печатных работах: А.1. Дякин В.В., Умергалина О.В., Сандовский В.А., Расчёт поля постоянного магнита, расположенного над магнитной пластиной, и соотношения толщинометрии. - Дефектоскопия, 1995, N 10, с. 38-49.

А.2. Дякин В.В., Умергалина О.В., Сандовский В.А., Расчёт поля системы, состоящей из постоянного магнита и магнитной пластины конечного сечения. -Дефектоскопия, 1996, N 7, с. 8-16.

А.З. Дякин В.В., Умергалина О.В., Сандовский В.А., Поле цилиндрического дефекта в магнитной пластине ограниченных размеров. - Дефектоскопия, 1997, N 11, с. 37-44.

А.4. Дякин В.В., Умергалина О.В., Сандовский В.А., Точное решение одной задачи магнитостатики в бицилиндрических координатах.-Дефектоскопия, 1999, N6, с. 29-35.

А.5. Сандовский В.А., Дякин В.В., Умергалина О.В., Поле дефекта в виде эллиптического цилиндра в пластине, помещенной в однородное магнитное поле. - Дефектоскопия, 1999, N 11, с. 45-56.

Литература

1. Сапожников А.Б., Теоретические основы электромагнитной дефектоскопии металлических тел.-Томск: Изд-во Томского Университета, 1980. - 308 с.

2. Янус Р.И., Некоторые вопросы теории магнитной дефектоскопии.-ЖТФ, 1945, t.XV, вып. 1-2, с.З.

3. Янус Р.И., Некоторые вопросы теории магнитной дефектоскопии.-Труды ИФМ, 1948, с.23-39.

4. Вонсовский C.B., Простейшие расчёты для задач магнитной дефектоскопии.-ЖТФ, 1938, т. VIII, вып. 16, с.1453.

5. Щербинин В.Е., Шур M.JI., Учёт влияния границы изделия на поле цилиндрического дефекта.-Дефектоскопия, 1976, N 6, с.30-36.

6. Зацепин H.H., Общая теория электромагнитных процессов в проводящих средах, находящихся в неоднородных двумерных магнитных полях, и разработка многопараметровых и других электромагнитных методов контроля металлических тел.-Свердловск: Об электромагнитных методах контроля качества изделий, 1965, вып. 24, с. 175-297.

7. Хижняк H.A..Интегральные уравнения макроскопической электродинамики.-Киев: Наукова думка, 1986.-278 с.

8. Форсайт Дж., Малькольм М., Моулер К., Машинные методы математических вычислений.-М.: Мир, 1980.-277 с.

9. Дякин В.В., Прямая и обратная задача магнитостатики.-Дефектоскопия, 1996, N3, с. 3-6.

Ю.Толмачёв С.Т., Специальные методы решения задач магнитостатики. -Киев: Вища Школа, 1983. - 166 с.

Отпечатано на Ризографе ИФМ УрО РАН тираж 80 3.129

объем 1 печ.л.формат 60x84 1/16 620219 г.Екатеринбург ГСП-170 ул.С.Ковалевской, 18

Введение

Глава 1. Однородные задачи для областей без дефектов

1.1. Обзор литературы

1.2. О существовании и единственности решения основной задачи магнитостатики для неограниченных моделей реальных тел.

1.3. К решению одной задачи магнитостатики в плоских эллиптических координатах

1.4. К решению задачи о пластине, находящейся в поле приставного электромагнита

Выводы

Рисунки

Глава 2. Однородные задачи для областей с дефектами

2.1. Обзор литературы

2.2. Точное решение одной задачи магнитостатики в бицилинд-рических координатах

2.3. Численное решение некоторых задач магнитного контроля.

Выводы

Рисунки

Глава 3. Задача магнитостатики для тел с неоднородными и нелинейными свойствами среды.

3.1. Обзор литературы

3.2. Пример точно решаемой неоднородной задачи магнитостатики

3.3. К нелинейной задаче магнитостатики

Выводы

Рисунки

На практике большое значение имеет проблема неразрушающего контроля. Для проверки качества готовых изделий и полуфабрикатов из ферромагнитных материалов наряду с другими способами контроля широко используются магнитные, - точнее, магнитостатические, - методы [1-4]. С их помощью можно решить три основные задачи неразрушающего контроля: (а) -тестирование изделия на предмет существования в нём так называемых дефектов, т.е. макроскопических областей с резко отличающейся структурой, наличие которых оказывает существенное влияние на его механические свойства (дефектоскопия); (б) - выявление отклонений в структуре материала, из которого изготовлено изделие (структуроскопия); (в) - измерение основного размера изделия, например, толщины пластины, диаметра прутка, радиуса шара (толщинометрия) [1-3]. Принципиальная возможность разрешения каждого из этих вопросов связана с тем, что доступное изучению результирующее поле намагниченного объекта зависит от его физических свойств и геометрической формы. Изучение характерных особенностей такого влияния и составляет основную задачу магнитного контроля.

Задача магнитного контроля успешно решается экспериментальными методами, теоретический же подход к этой проблеме позволяет указать экспериментатору верное направление в исследованиях и значительно сократить их объём. Начало построения теории электромагнитных методов проверки качества изделий главным образом обязано трудам В.К.Аркадьева [5], Р.И.Януса [6-9], С.В.Вонсовского [10]. Значительный вклад в дальнейшее развитие теории внесли работы А.Б.Сапожникова [3,11,12], Ф.Фёрстера [13-15] и других учёных [16-24].

Теоретические аспекты магнитостатических методов контроля и составляют предмет настоящей диссертационной работы.

В основе физической модели магнитных методов контроля лежат магнитостатические уравнения, которые представляют из себя частный случай фундаментальных законов и уравнений макроскопической электродинамики [25-27]. При условии стационарности в отсутствии электрического поля система уравнений Максвелла может быть записана в следующей форме [27]: гоШ = Т СНУВ = О,

1) где В - магнитная индукция, Н - напряжённость магнитного поля, j0 -объёмная плотность токов-источников внешнего поля. Магнитная индукция и напряжённость магнитного поля связаны между собой соотношением

В = 1{Н,г\

2.а) или, как ещё часто пишут

2.6) где [Л{) — Ак ■ 10 7 Гн / м - магнитная постоянная, // - характеристика среды (магнитная проницаемость), которая в общем случае имеет тензорный вид и зависит от координат и векторов поля. Когда имеется несколько сред, рассматривается соответствующее количество систем типа (1)-(2) с условиями сопряжения векторов поля на границах их раздела 5 для тангенциальной составляющей вектора напряжённости Нт и нормальной составляющей вектора магнитной индукции Вп.

Можно использовать альтернативную формулировку магнитостатической задачи, если от дифференциальных уравнений перейти к интегральным [28-31]. Векторные интегро-дифференциальные уравнения дают возможность поставить задачу в более компактной форме, поскольку они автоматически удовлетворяют граничным условиям (3). Стоит заметить, что и основные результаты в плане исследования магнитостатической задачи получены именно на основе подхода интегральных уравнений. Помимо этого, данная формулировка оказывается более удобной при численной реализации решения. В последнее время интегральные уравнения достаточно часто используются при решении электродинамических задач. Итак, задача (1)-(3) полностью эквивалентна уравнению:

Я(г) = Й°(г) + УсИУ - г>-1 Щг')с1г';

4) где геЯ3, а =

4 71 г —г

- функция Грина. Исследуемый объект занимает область П с магнитной проницаемостью // (в \ П (Л — \ ), ограниченную достаточно гладкой поверхностью Г. Требование гладкости означает, что в каждой точке Г существует определённая нормаль. Полагают, что токи-источники внешнего поля имеют плотность и локализованны в области , причём П П О0 = 0. При этом напряжённость внешнего поля

Н° определяется по закону Био-Саварра [26].

Вывод интегральных уравнений электромагнитного поля и доказательства выполнения граничных условий можно найти в [28], а конкретно для 6 магнитостатического случая, - например, в [29-31]. В нашей работе мы будем придерживаться именно этой постановки.

Для того, чтобы конкретизировать задачу, необходимо задать модель источников внешнего поля, определится с геометрией изделия и с характеристиками его физических свойств.

Обычно при решении магнитостатических задач стороннее поле либо считается заданным, либо вычисляется исходя из определенной модели токовой системы, в качестве которой используют какую-нибудь комбинацию токовых проводов различной геометрической формы. Толщиной провода, как правило, пренебрегают. Эта задача решается достаточно легко [32,33].

Геометрическую модель контролируемого изделия обычно стремятся подобрать таким образом, чтобы достичь хотя бы частичного разделения переменных в уравнениях и удобнее удовлетворить условиям сопряжения векторов поля на границе раздела сред. Часто оказывается целесообразным выбирать такие геометрические модели как полупространство, плоскопараллельная пластина, бесконечный круговой или эллиптический цилиндр и т.д. [3]. Для моделирования дефекта внутрь выбранной области вводят полости различной конфигурации, что, конечно, усложняет задачу и зачастую делает её неразрешимой аналитически.

Для того, чтобы удовлетворить запросам практики, при решении задач необходимо учитывать нелинейность связи (2.а) между напряжённостью магнитного поля и магнитной индукцией. Поскольку завершённой теории этого вопроса пока не существует, зависимость (2.а) имеет смысл брать из опыта. Функция / в (2.а) вообще говоря не является однозначной и определяется целым рядом факторов: свойствами материала, из которого изготовлено изделие, его геометрической формой, особенностями предыдущей магнитной, тепловой и механической обработки [5,34,35]. В расчётных задачах магнитного контроля, как правило, работают с основной (коммутативной) кривой намагничивания, для которой / является однозначной функцией. Учёт 7 нелинейности зависимости индукции от напряжённости магнитного поля приводит к таким вычислительным трудностям, что практически во всех расчётах используют соотношение (2.6), полагая ^i —const [3]. Недостатки такого допущения очевидны. Как указывал ещё C.B. Вонсовский, оно может быть приемлемым только для прямолинейных или почти прямолинейных участков кривой намагничивания [10]. К достоинствам же можно отнести то обстоятельство, что что постановка задачи стновится намного проще. Это преимущество, однако, несколько сомнительно ввиду того, что даже для случая /а = const уравнения остаются далеко не элементарными, и их аналитическое решение получено лишь для крайне ограниченного числа моделей объектов контроля и источников внешнего поля.

В математическом плане исследование любой поставленной задачи сводится к поиску функционального класса, в котором обеспечивается существование и единственность её решения. Положительный ответ на этот вопрос даёт возможность судить о степени надёжности тех результатов, которые мы хотим получить, а, кроме того, часто помогает определиться с выбором метода решения.

В работах [36,37] на основе методов классической теории потенциала [38] для ограниченных областей доказана корректность линейной магнитостатической задачи (// = const). Исследование нелинейной задачи проводится на основе сравнительно недавно разработанного метода монотонных операторов [39-41], либо исходя из классического принципа сжимающих отображений [42], применение которых к исследованию данной задачи можно найти в работах [43-47] и [29,48] соответственно. В практических расчётах часто используются неограниченные модели реальных объектов контроля, и для такого случая вопрос существования и единственности решения ещё требует своего обоснования как для линейных, так и для нелинейных сред. 8

Теперь кратко остановимся на основных результатах, связанных с решением магнитостатической задачи, и, в частности, на тех, которые имеют отношение к проблеме магнитного контроля.

Все задачи условно можно разделить на две группы. Первую составляют те, при постановке которых принимается предположение об однородности свойств среды {ß — const). На начальном этапе задачи магнитной дефектоскопии решались для безграничных областей с полостями правильной геометрической формы (бесконечный круговой или эллиптический цилиндр, шар, эллипсоид вращения), при этом предполагалось, что внешнее поле однородно [3]. Методом изображений были получены точное решение задачи об однородно намагниченном полупростанстве [19] и приближённое решение для однородно намагниченной пластины [20] со сквозным цилиндрическим дефектом.

В настоящее время расчёты в основном проводятся путём моделирования поверхностных и внутренних дефектов комбинацией магнитных зарядов. С реализацией данного подхода можно ознакомится, например, в [17,18,23,24,4951]. При этом обычно высказываются определённые аргументы в пользу выбора координатной зависимости плотности магнитных зарядов на гранях дефекта (обычно полагают, что она постоянна). Данные расчёты скорее относятся к разряду приближённых модельных подходов и не обладают необходимой общностью. Поэтому имеет смысл обратиться к решению подобных задач с более последовательных позиций, не принимая, хотя и разумных, но излишних предположений на начальном этапе постановки. В данном случае придётся обратиться к машинным подходам, которые для электродинамических уравнений разработаны достаточно хорошо [58], но пока не нашли широкого применения в магнитной дефектоскопии.

Как отмечал H.H. Зацепин [16], достаточно актуальной практической проблемой является развитие теории линейной магнитостатики для случая неоднородного намагничивания. Им же были получены общие решения 9 основной магнитостатической задачи для полупространства, пластины и бесконечного кругового цилиндра в неоднородном внешнем поле. Дополнительная работа в этом направлении является весьма полезной, поскольку подобные решения вполне можно получить и для областей иной геометрической формы. Аналитические решения помимо общепознавательной и прикладной ценности представляют из себя надёжный материал для тестирования численных алгоритмов.

Результаты работы с нелинейной задачей магнитного контроля более разрознены. Продвижение в этом направлении главным образом сдерживалось отсутствием надлежащего математического исследования данной задачи. В работах [11,59-64] можно ознакомиться с основными достигнутыми результатами, полученными с помощью различных приближённых методов. К сожалению, зачастую остаётся открытым вопрос законности применения некоторых из задействованных в этих работах подходов, т.к. не проводится необходимое математическое обоснование. В этой связи для тестирования результатов приближённого решения также неплохо было бы заручиться надёжными тестовыми примерами, с помощью которых можно было бы проводить оценку точности вновь создаваемых сложных численных алгоритмов.

Таким образом, можно сделать вывод, что несмотря на несомненную ценность предыдущих теоретических исследований, многие вопросы требуют дополнительного рассмотрения.

В данной диссертационной работе представлены следующие основные результаты, которые и выносятся на защиту.

1. Доказана теорема существования и единственности решения линейной и нелинейной задач магнитостатики для неограниченных моделей реальных тел в предположении квадратичной суммируемости внешнего поля по объёму этих тел. На частном примере полупространства показано, что решение также принадлежит классу интегрируемых с квадратом по объёму полупостранства

10 вектор-функций. Полученные результаты справедливы и для двумерных задач магнитостатики.

2. Получено точное решение задач о полупространстве и пластине в поле приставного электромагнита; приводятся некоторые практические результаты расчётов, которые могут быть пригодны для магнитной толщинометрии.

3. Получены точные решения магнитостатической задачи для бесконечного эллиптического цилиндра и несоосных круговых цилиндров {¡л — const) без упрощающего предположения об однородности внешнего поля. Показано, что некоторые ранее полученные результаты являются прямым следствием предложенного общего решения.

4. Разработан алгоритм численного решения двумерных задач магнитой дефектоскопии, основанный на методе сеток, проведено его тестирование на точно решаемых задачах и дана апостериорная оценка погрешности численного решения. С его помощью решены две конкретные задачи о нахождении поля (а) - бесконечной пластины, содержащей дефект в виде эллиптического цилиндра с произвольным углом наклона к поверхности пластины; (б) - ограниченной пластины с цилиндрическим дефектом. Выявлен ряд практически важных закономерностей.

5. Получено точное решение основной задачи магнитостатики для шара в однородном внешнем поле с использованием конкретной модельной зависимости магнитой проницаемости от координат. Рассмотрены основные закономерности формирования результирующего поля в данном случае.

Кратко остановимся на структуре диссертации.

В первой главе проводится рассмотрение основной задачи магнитостатики (/i = const) для бездефектных областей. В первую очередь приводятся доказательства существования и единственности решения для бесконечных моделей реальных тел. Затем даются решения задач об эллиптическом цилиндре в неоднородном внешнем поле и о пластине в поле приставного электромагнита.

11

Вторая глава посвящена решению рассмотрению областей, содержащих дефекты. Приводится аналитическое решение задачи магнитостатики в бицилиндрических координатах, рассматриваются основные следствия и перспективы дальнейшего использования полученных результатов. Описывается алгоритм численного решения задач магнитного контроля, с помощью которого затем решаются задача о пластине с произвольно ориентированным дефектом в виде бесконечного эллиптического цилиндра, а также задача о пластине конечного сечения с дефектом в виде кругового цилиндра.

В третьей главе расмматриваются одна неоднородная и одна нелинейная задачи магнитостатики, которые допускают получение точного решения. При этом сначала приводятся доказательство существования и единственности решения нелинейной задачи, имеющее силу для неограниченных и ограниченных моделей реальных тел. Затем - точное решение задачи магнитостатики для шара, находящегося в однородном внешнем поле с модельной зависимостью магнитой проницаемости от координат в виде Iи(г) = с0 ехр(аг); точное решение нелинейной задачи об однородно намагниченном шаре.

В заключении подводится краткий итог проделанной работе и обозначаются аспекты дальнейших исследований.

Диссертация выполнена под руководством доктора физико-математических наук В.В. Дякина и доктора технических наук В.А. Сандовского. Основные результаты изложены в работах [65-69] и доложены в тезисах доклада на XIX Уральской региональной конференции «Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами», Уфа, 2000, 30 мая-2 июня.

Все расчёты выполняются в системе единиц СИ.

12

Основные результаты и выводы можно сформулировать следующим образом.

1. Для часто используемых при практических расчётах неограниченных моделей реальных тел доказана теорема существования и единственности решения основной задачи магнитостатики при условии, что поле внешних источников тока квадратично суммируемо по объёму этих тел. На частном примере полупространства показано, что и окончательное решение также принадлежит классу квадратично суммируемых функций. Результаты справедливы как для трёхмерных, так и для двумерных задач магнитостатики. Приведённое доказательство обосновывает правомерность использования неграниченных моделей для решения целого ряда магнитостатических задач вообще и задач магнитного контроля в частности.

2. Получено точное решение двумерной задачи магнитостатики при ¡л — const в плоских эллиптических координатах при произвольном внешнем поле. Дстоверность результатов общего решения обоснована путём предельного перехода к ранее решённым задачам.

3. Получено точное решение задачи о пластине, помещённой во внешнее поле приставного электромагнита. Результаты могут быть использованы для решения обратной задачи магнитной толщинометрии по определению толщины пластин и толщины неманитных покрытий.

4. Приведено точное решение однородной задачи магнитостатики в бицилиндрических координатах (область, ограниченная несоосными

109 цилиндрами в неоднородном двумерном внешнем поле). Путём предельного перехода, превращающего внешний цилиндр в плоскость, а область в полупространство со сквозным цилиндрическим отверстием, установлено соответствие полученных результатов с уже имеющимися.

5. На основе метода сеток разработан алгоритм численного решения задач магнитной дефектоскопии. Алгоритм протестирован на точно решаемых задачах, показана практическая сходимость результатов решения при увеличении плотности разбиения контуров интегрирования и оценены погрешности машинного эксперимента, возникающие как за счёт дискретизации, так и за счёт ошибок округления при приближённых вычислениях с плавающей точкой. Показано, что при надлежащих условиях ошибка не превосходит 2%. С помощью этого алгоритма решены две задачи магнитной дефектоскопии и выявлен ряд типичных зависимостей поля дефекта от параметров поставленных задач.

6. Доказана теорема существования и единственности решения нелинейной магнитостатической задачи в предположении, что среда изотропна, а связь между намагниченностью и напряжённостью поля задаётся основной кривой намагничивания. Полученное доказательство имеет силу как для ограниченных, так и для неограниченных моделей реальных тел в двумерных и трёхмерных задачах магнитостатики.

7. С целью расширения базы для проверки сложных алгоритмов численного решения магнитостатических задач получено точное решение одной неоднородной задачи о шаре с модельной зависимостью магнитной проницаемости от координат вида ¡Л = /и{г) = с0 ехр(скг). Построены поверхности постоянного потенциала, иллюстрирующие влияние неоднородных свойств среды на особенности формирования поля такого объекта. Методом последовательных приближений решена задача о шаре с нелинейной зависимостью магнитной проницаемости от поля.

110

Дальнейшие перспективы в работе можно связывать с рассмотрением более реальных задач о телах с ограниченными дефектами различной формы. В случае, когда магнитая проницаемость предполагается постоянной, здесь можно использовать подход, основанный на преобразовании интегрального уравнения к виду, содержащему нормальную составляющую поля только на поверхности дефекта. При этом в зависимости от геометрической формы моделирующей изделие области будет изменятся ядро уравнения. Такой подход может значительно повысить эффективность численных расчётов.

Помимо этого остаётся актуальным направление, связанное с разработкой надёжных алгоритмов решения ноднородных и нелинейных задач магнитного контроля. В качестве инструмента здесь имеет смысл использовать либо метод последовательных приближений, либо метод конечных элементов.

В заключении хотелось бы выразить глубокую благодарность научным руководителям В.В. Дякину и В.А. Сандовскому за ценные уроки, полученные в ходе деятельности под их руководством, а также за постоянную помощь в работе над диссертацией.

Ill

Заключение.

Не смотря на то, что проблема развития теоретических и численных подходов к решению задач магнитного контроля имеет свою давнюю историю, она и на сегодняшний день является достаточно актуальной. Рассмотрению некоторых аспектов этого научного направления и была посвящена настоящая диссертационная работа.

1. Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник. Под ред. Клюева В.В.- М.: Машиностроение, 1995. 478 с.

2. Герасимов В.Г., Покровский А.Д., Сухоруков В.В., Электромагнитный контроль. М.: Высшая школа, 1992. - 312 с .

3. Сапожников А.Б., Теоретические основы электромагнитной дефектоскопии металлических тел. Томск: Издательство ТГУ, 1980. - 308 с.

4. Щербинин В.Е., Горкунов Э.С., Магнитный контроль качества металлов. -Екатеринбург: УрО РАН, ИФМ, 1996. 264 с.

5. Аркадьев В.К., Электромагнитные процессы в металлах, ч.1, Постоянное электрическое и магнитное поле. М. - Л.: НКТП НТИ СССР, Объединённое научно-техническое издательство, Гл. ред. энерг. литературы, 1934. - 229 с.

6. Янус Р.И., Приближённое решение задачи магнитной дефектоскопии. ЖТФ, 1935, вып.7, с.1314.

7. Янус Р.И., Некоторые расчёты по магнитной дефектоскопии. ЖТФ, 1938, т.VIII, вып.4, с.307.

8. Янус Р.И., Некоторые вопросы теории магнитной дефектоскопии. ЖТФ, 1945, t.XV, вып. 1-2, с.З.

9. Янус Р.И., Некоторые вопросы теории магнитной дефектоскопии. Труды ИФМ, 1948, с.23-39.

10. Вонсовский C.B., Простейшие расчёты для задач магнитной дефектоскопии.- ЖТФ, 1938, т.VIII, вып. 16, с.1453.

11. Сапожников А.Б., Некоторые простейшие нелинейные расчёты в теории магнитной дефектоскопии. Труды СФТИ при ТГУ , вып.30,1950, с.207.

12. Сапожников А.Б., К вопросу о роли магнитной нелинейности среды при формировании поля скрытого дефекта. Свердловск.: Исследования в области прикладного и теоретического магнетизма, вып.26., 1967, с. 189-198.

13. Forster F., Stambke К. Theoretische und experimentale Grundlagen der Zerstörungsfreien Werkstoff Prafung mit Wirbelstromverfahren. - Ztschr. Metallk., 1954, Bd.45, s.166-179.112

14. Forster F., Stumm W. Aplication of Nagnetic and Electromagnetic Nondestructive Test Methods for Measuring Physical and Tecnological Material Values. Mater. Evaluation, 1975, 33, N1, p.5-16.

15. Forster F. Neue Erkentnisse auf dem Gebiet der Zerstörungsfreien Prufüng mit dem Streufluss. 3-rd Eur.Conf.NDT.Florence. Conf.Proc.Teckn.Sess. - 1984. -5.S.287-303.

16. Зацепин H.H., Щербинин В.Е., К расчёту магнитостатического поля поля поверхностных дефектов. 4.1. Топография полей моделей дефектов. -Дефектоскопия, 1966, N 6, с.50-59.

17. Зацепин H.H., Щербинин В.Е., К расчёту магнитостатического поля поля поверхностных дефектов. 4.II. Экспериментальная проверка основных расчётных закономерностей. Дефектоскопия, 1966, N 6, с.59-65.

18. Щербинин В.Е., Шур M.JL, Учёт влияния границы изделия на поле цилиндрического дефекта. Дефектоскопия, 1976, N 6, с.30-36.

19. Шур M.JL, Щербинин В.Е., Магнитостатическое поле дефекта, рсположенного в плоскопараллельной пластине. Дефектоскопия, 1977, N 3, с.92-96.

20. Щербинин В.Е., Шур M.JL, Приближение технического насыщения при расчётах магнитного поля дефекта. Дефектоскопия, 1979, N 9, с.11-15.

21. Шур M.JL, Щербинин В.Е., Поле сильно вытянутого эллиптического цилиндра в нелинейной среде. Дефектоскопия, 1978, N 10, с.28.

22. Загидулин Р.В., Мужицкий В.Ф., Курозаев В .П., Расчёт магнитостатического поля внутреннего дефекта и дефекта внутренней поверхности в ферромагнитной пластине. 1.-Дефектоскопия, 1997, N 1, с.46-54.

23. Загидулин Р.В., Мужицкий В.Ф., Курозаев В.П., Расчёт магнитостатического поля внутреннего дефекта и дефекта внутренней поверхности в ферромагнитной пластине. II. Дефектоскопия, 1997, N 1, с.55-62.113

24. Ландау Д.Л., Лившиц Е.М., Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1982, Т.8.-620 с.

25. Тамм И.Е., Основы теории электричества. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1976, 1989. - 503 с.

26. Гринберг Г.А., Избранные вопросы математической теории электрических и магнитных явлений. М.,Л.: Издательство Академии наук СССР, 1948. -727 с.

27. Хижняк H.A., Интегральные уравнения макроскопической электродинамики. Киев: Наукова думка, 1986. - 278 с.

28. Толмачёв C.T., Специальные методы решения задач магнитостатики. Киев: Вища Школа, 1983. - 166 с.

29. Пеккер И.И., К расчёту магнитных систем методом интегрирования по источникам поля. Изв. вузов, Электромеханика, 1968, N 9, с.940-943.

30. Пеккер М.И., Пеккер И.И., О выполнении граничных условий при расчёте магнитных систем «методом интегрирования по источникам поля». Изв. вузов, Электромеханика, 1973, N 8, с.904-909.

31. Батыгин В.В., Топтыгин И.Н., Сборник задач по электродинамике. М. 1970.

32. Саркисян Л.А., Аналитические методы расчёта стационарных магнитных полей: Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1993. - 288 с.

33. Меськин B.C. Ферромагнитные сплавы. М.-Л.: ОНТИ, 1937.

34. Вонсовский C.B., Шур Я.С. Ферромагнетизм. М.-Л.: ОГИЗ, Гостехиздат, 1948.

35. Раевский В.Я., Математическое исследование одного класса задач электро-и магнитостатики. Препринт ИФМ УНЦ АН СССР, N 5.85, Свердловск, 1985, 32с.

36. Раевский В.Я., Математическое моделирование доменопродвигающих систем для запоминающих устройств. Кандидатская диссертация, Свердловск, ИФМ, 1986.114

37. Гюнтер Н.М., Теория потенцциала и её применение к основным задачам математическом физики. М.: ГИТТЛ, 1953. - 415 с.

38. Вайнберг М.М., Вариационные методы исследования нелинейных операторов. М.: Изд-во технико-теоретической литературы, 1956. - 344 с.

39. Вайнберг М.М., Вариационный метод и метод монотонных операторов. -М.: Наука, Гл.ред. физ.-мат. лит., 1972. 416 с.

40. Гаевский X., Грёгер К., Захариас К., Нелинейные операторные уравнения и операторные дифференциальные уравнения. М.: Мир, 1978.-336с.

41. Люстерник Л.А., Соболев В.И., Элементы функционального анализа. М.: Наука, Гл.ред. физ.-мат. лит., 1965. - 519 с.

42. Mark J. Friedman, Mathematical Study of the Nonlinear Singular Integral Magnetic Field Equation. Part I. SIAM J. APPL. MATH., Vol. 39, No. 1 , August1980, p. 14-20.

43. Mark J. Friedman, Mathematical Study of the Nonlinear Singular Integral Magnetic Field Equation. Part II. SIAM J. NUMER. ANAL., Vol. 18, No. 4, August 1981, p.644-653.

44. Mark J. Friedman, Mathematical Study of the Nonlinear Singular Integral Magnetic Field Equation. Part III. SIAM J. MATH. ANAL., Vol. 12, No. 1 , July1981, p.536-540.

45. Хоромский Б.Н., Квази-линейные эллиптические уравнения в неполной нелинейной формулировке и методы их реализации. Препринт ОИЯИ Е5-89-598, Дубна, 1989,15с.

46. Хоромская В.Х., Хоромский Б.Н., Об оценках вычислительной эффективности итерационных методов декомпозиции области для решения нелинейных задач магнитостатики. Препринт ОИЯИ Е5-92-450, Дубна, 1992,- 15с.

47. Дякин В. В., Лебедев Ю.Г., Магнитостатический подход к решению задач прикладной сверхпроводимости. Препринт АН СССР, Сыктывкар, 1990, 18с.

48. Шур М.Л., Загидулин Р.В., Щербинин В.Е., Самосогласованный расчёт магнитостатического поля поверхностных дефектов. Дефектоскопия, 1988, N10, с.3-13.115

49. Загидулин Р.В., Расчёт остаточного магнитного поля дефекта сплошности в ферромагнитном изделии. 1.-Дефектоскопия,1998, N10, с.21-32.

50. Загидулин Р.В., Расчёт остаточного магнитного поля дефекта сплошности в ферромагнитном изделии. П.-Дефектоскопия,1998, N10, с.33-39.

51. Томилов Г.С., Исследование распределения индукции в массивных стальных изделиях при локальном намагничивании их при помощи приставных электромагнитов. Дефектоскопия, 1966, N 6, с.77-85.

52. Фридман JI.A., Табачник В.П., Чернова Г.С., Намагничивание массивных ферромагнитных изделий с помощью приставных электромагнитов. -Дефектоскопия, 1977, N 4, с. 104-112.

53. Табачник В.П., Фридман JI.A., Чернова Г.С.,Федорищева Э.Э., Намагничивание массивных изделий одним полюсом электромагнита. -Дефектоскопия, 1978, N 6, с.12-11.

54. Шлеенков A.C., Шур M.JL, Щербинин В.Е., Исследования внутреннего поля ферромагнитных изделий при полюсном намагничивании. Дефектоскопия, 1982, N 6, с.68-79.

55. Шлеенков A.C., К вопросу о распределении индукции в ферромагнитных изделиях при полюсном намагничивании. Дефектоскопия, 1982, N 9, с.52.

56. Шур М.Л., Шлеенков A.C., Щербинин В.Е., К вопросу о формировании поля и индукции в ферромагнитных средах. Дефектоскопия, 1983, N10, с. 11-18.

57. Демирчян К.С., Чечурин В.Л., Машинные расчёты электромагнитных полей,- М.: Высшая школа, 1986. 240 с.

58. Бюлер Г.И., Яковлева Г.Д. Интегродифференциальное уравнение нелинейной задачи магнитостатики. Труды СФТИ при ТГУ, 1970, вып.52, с.155-161.

59. Жидков Е.П., Юлдашева М.Б., Юлдашев О.И., Векторные алгоритмы для решения трёхмерных нелинейных задач магнитостатики. Препринт ОИЯИ Р11-94-61, Дубна, 1994. - 18с.

60. Юлдашева М.Б., Юлдашев О.И., Комплекс программ MSFE3D для расчётов пространственных магнитостатических полей. Препринт ОИЯИ PI 1-94-202, Дубна, 1994. - 16с.116

61. Пеккер И.И., Пеккер М.И., Кирсанов А.Г., Расяёт матнитного тора с воздушным зазором методом интегрирования по источникам поля. Изв. вузов, Электромеханика, 1975, N 1, с.11-14 .

62. Филиппов Б.Н., Глухов В.М., Горкунов Э.С. Моделирование магнитных состояний в ферромагнитном стержне, намагниченном в проходном преобразователе. Дефектоскопия, 1998, N7, с. 50-59.

63. Глухов В.М., Филиппов Б.Н., Горкунов Э.С. Моделирование магнитных состояний в ферромагнитных стержнях с различной структурой, намагниченных в проходном преобразователе. Дефектоскопия, 2000, N3, с. 55-66.

64. Дякин В.В., Умергалина О.В., Сандовский В.А., Расчёт поля постоянного магнита, расположенного над магнитной пластиной, и соотношения толщинометрии. Дефектоскопия, 1995, N 10, с. 38-49.

65. Дякин В.В., Умергалина О.В., Сандовский В.А., Расчёт поля системы, состоящей из постоянного магнита и магнитной пластины конечного сечения. Дефектоскопия, 1996, N 7, с. 8-16.

66. Дякин В.В., Умергалина О.В., Сандовский В.А., Поле цилиндрического дефекта в магнитной пластине ограниченных размеров. Дефектоскопия, 1997, N 11, с. 37-44.

67. Дякин В.В., Умергалина О.В., Сандовский В.А., Точное решение одной задачи магнитостатики в бицилиндрических координатах. Дефектоскопия, 1999, N6, с. 29-35.

68. Сандовский В.А., Дякин В.В., Умергалина О.В., Поле дефекта в виде эллиптического цилиндра в пластине, помещенной в однородное магнитное поле. Дефектоскопия, 1999, N11,0. 45-56.

69. Дивильковский М.А., Задача о шаре, помещённом в однородное переменное магнитное или электрическое поле. ЖТФ, 1939, т. IX, вып.5, с. 433-443.

70. Дякин В.В., Лебедев Ю.Г., Раевский В.Я., Исследования математической модели в теории цилиндрических магнитных доменов. ФММ, 1983, т.56, вып.2, с.245-248.

71. Дякин В.В., Прямая и обратная задача магнитостатики. Дефектоскопия, 1996, N 3, с. 3-6.117

72. Михлин С.Г., Курс математической физики. М.: Наука, 1968. - 575 с.

73. Корн Г., Корн Т., Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1970. - 720 с.

74. Градштейн И.С., Рыжик И.М., Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: ГИФМЛ, 1962. - 1094 с.

75. Никифоров А.Ф., Уваров В.Б., Основы теории специальных функций. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1974. - 303с.

76. Суетин П.К., Классические ортогональные многочлены. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1976. - 327с.

77. Бухгольц Г., Расчёт электрических и магнитных полей. М.: Издательство иностранной литературы, 1961. - 712 с.

78. Светов Б.С., Губатенко В.П., Аналитические решения электродинамических задач. -М.: Наука, 1988, 343 с.

79. Калиткин H.H., Численные методы. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1978.-512 с.

80. Самарский A.A., Гулин A.B., Численные методы. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. - 432 с.

81. Форсайт Дж., Малькольм М., Моулер К., Машинные методы математических вычислений. М.: Мир, 1980. - 277 с.

82. Виноградов С.Е., Ниценко Е.М. Способ аппроксимации основной кривой намагничивания. Электричество, 1974, N 12, с. 68-78.

83. Марчук Г.И., Агошков В.И., Введение в поекционно-сеточные методы. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1981, 416 с.

84. Бюлер Г.А., К вопросу о становлении магнитного поля в неоднородной среде. Труды СФТИ при ТГУ, 1970, вып.52, с.3-15.

85. Канторович Л.В., Акилов Г.П., Функциональный анализ. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1984. - 752 с.