Ansys分析在鋼管管端檢測(cè)中的應(yīng)用

李睿智， 何 箭， 李 亮， 王 振

(合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽合肥 230009)

在無(wú)損檢測(cè)中，由于要防止鋼管端部撞壞探頭，總是要等鋼管端部越過(guò)探頭時(shí)才能使探頭貼合鋼管管體，這樣便出現(xiàn)鋼管管端區(qū)域檢測(cè)不到的情況，即存在了檢測(cè)盲區(qū)。本文采用Ansys有限元軟件對(duì)鋼管管端磁場(chǎng)分布進(jìn)行分析，針對(duì)管端檢測(cè)盲區(qū)提出了加入引體的解決辦法，并將有限元分析方法引入管端缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，建立相關(guān)磁場(chǎng)模型，對(duì)其進(jìn)行模擬分析，然后通過(guò)管端缺陷信號(hào)實(shí)例的試驗(yàn)仿真驗(yàn)證其正確性。

1 鋼管管端檢測(cè)面臨的問(wèn)題

鋼管漏磁檢測(cè)方法可以檢測(cè)出鐵磁性鋼管表面和內(nèi)部的缺陷，具有檢測(cè)速度快、靈敏度高、操作簡(jiǎn)單及穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。它主要依據(jù)2種磁導(dǎo)率相差懸殊的介質(zhì)，如鐵和空氣，界面上磁力線折射會(huì)導(dǎo)致部分磁通量泄露于鋼材表面形成漏磁場(chǎng)，根據(jù)檢測(cè)被磁化的金屬表面形成的漏磁場(chǎng)可以判斷缺陷是否存在。

但是當(dāng)對(duì)鋼管施加軸向磁化場(chǎng)時(shí)，在鋼管管端相當(dāng)長(zhǎng)的范圍內(nèi)會(huì)存在磁力線散射現(xiàn)象，擾亂了非軸向缺陷產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)，使非軸向缺陷無(wú)法被正確識(shí)別;同時(shí)鋼管傳動(dòng)過(guò)程中鋼管前端從開(kāi)始撞擊傳感器到傳感器與管體良好吻合會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的撞擊信號(hào)，淹沒(méi)了端頭上的缺陷信號(hào)，會(huì)形成軸向和非軸向缺陷檢測(cè)的盲區(qū)。

對(duì)于軸向缺陷，由于在檢測(cè)軸向缺陷時(shí)施加的是與管軸向正交的磁化場(chǎng)時(shí)，磁場(chǎng)為繞管周的環(huán)行磁場(chǎng)，中間不會(huì)產(chǎn)生雜散磁場(chǎng)，管體檢測(cè)可以完全無(wú)誤地檢測(cè)出來(lái)，本文不詳細(xì)討論。對(duì)于非軸向缺陷，在對(duì)鋼管施加軸向磁化場(chǎng)以檢測(cè)鋼管管端非軸向缺陷時(shí)，磁力線的散射現(xiàn)象擴(kuò)大了非軸向檢測(cè)的盲區(qū)，使得檢測(cè)工作變得更加困難。所以，本文首先要研究如何減少或消除管端磁力線散射對(duì)非軸向缺陷檢測(cè)的干擾[1，2]。

2 有限元分析軟件Ansys

Ansys軟件是集結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)及聲場(chǎng)分析于一體的有限元分析軟件，由美國(guó)Ansys公司開(kāi)發(fā)研制，迄今為止是世界范圍內(nèi)唯一通過(guò)ISO9001質(zhì)量體系認(rèn)證的分析設(shè)計(jì)類(lèi)軟件。

Ansys軟件主要包括3個(gè)模塊:前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型;分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析(可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析)、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析和優(yōu)化分析能力;后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示(可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部)等圖形方式顯示出來(lái)，也可以將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出[3]。

本文主要使用的是Ansys10.0軟件的電磁場(chǎng)分析功能。

3 鋼管管端檢測(cè)的有限元分析

有限元分析的基本概念是用較簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題后再求解，在實(shí)際情況中有限元分析不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，是行之有效的工程分析方法，這里宜采用有限元分析對(duì)管端缺陷進(jìn)行處理。首先建立鋼管漏磁檢測(cè)的二維靜態(tài)模型，如圖1所示，把對(duì)非軸向缺陷的檢測(cè)簡(jiǎn)化為分析二維靜態(tài)磁場(chǎng)的問(wèn)題[4，5]。

圖1中，區(qū)域1顯示為載流線圈，其相對(duì)磁導(dǎo)率為1，施加正電流密度為50 000/線圈面積;區(qū)域2是軟鐵，設(shè)定為線性材料，其相對(duì)磁導(dǎo)率為18 000;區(qū)域3顯示的為鋼管，選取鋼材型號(hào)X52;缺陷物質(zhì)設(shè)定為線性材料，相對(duì)磁導(dǎo)率為1，選擇磁力線數(shù)為1 000，將上述設(shè)定值代入Ansys10.0軟件中，求解選用矢量位方法(MVP)進(jìn)行求解，可獲得有缺陷管端的磁場(chǎng)分布，如圖2所示。

圖1 鋼管檢測(cè)的二維靜態(tài)模型

圖2 有缺陷管端磁場(chǎng)分布

從圖2可以看出，管體內(nèi)部磁力線基本處于平行狀態(tài)，而端頭部分存在明顯的散射磁場(chǎng)，很難從中明顯辨別出有缺陷部分的漏磁場(chǎng)，所以很難對(duì)其進(jìn)行漏磁檢測(cè)，也就是說(shuō)無(wú)法用管體檢測(cè)的方法檢測(cè)管端出現(xiàn)的非軸向缺陷。

從上述分析可以得出，管體的漏磁檢測(cè)方法已不適用于端頭檢測(cè)。但是，如果把端頭變成管體的一部分，對(duì)端頭用管體檢測(cè)的方法進(jìn)行缺陷檢測(cè)，問(wèn)題就迎刃而解了。在這里需要適時(shí)引入引體這一概念，引體是一種加在鋼管端部與端頭對(duì)接的一種鐵磁性物體，可以通過(guò)與端頭對(duì)接，把端頭變成管體并消除端頭的管端散射效應(yīng)。加引體后的靜態(tài)模型，如圖3所示[6-8]。

圖3 加引體后的二維靜態(tài)模型

本文分析了管端加入引體消除管端檢測(cè)盲區(qū)的可能性，并用A nsys軟件模擬分析管端加入引體以消除鋼管管端磁力線散射現(xiàn)象及管端檢測(cè)盲區(qū)的可行性。

鑒于端頭與引體的接頭處不可能完全接觸，事實(shí)上其接觸面應(yīng)該是個(gè)不規(guī)則的曲面。本文設(shè)定引體與鋼管管端之間的距離為0.1 mm，并設(shè)定為局部接觸。設(shè)置引體的磁導(dǎo)率與鋼管相同，其它設(shè)置與上相同，選擇磁力線數(shù)為27，對(duì)其施加軸向磁化場(chǎng)后代入設(shè)定值求解，可以得到模型磁力線分布，如圖4所示。

圖4 加引體管端磁場(chǎng)分布

從圖4可以看到，由于鋼管端部加入了引體，鋼管端頭部分的磁力線已經(jīng)處于管體壁內(nèi)，呈軸向平行狀態(tài)，和管體內(nèi)部磁力線的分布相似。這樣對(duì)鋼管端頭檢測(cè)的條件實(shí)際上已經(jīng)與管體檢測(cè)十分接近。從某種意義上講，引體的存在已經(jīng)把端頭變成了鋼管管體的一部分。而引體與鋼管端部的接觸面可當(dāng)成一個(gè)面對(duì)面的缺陷來(lái)看待，這就能從根本上解決非軸向缺陷檢測(cè)中出現(xiàn)的磁力線散射問(wèn)題，為鋼管管端缺陷信號(hào)的檢測(cè)找到了一個(gè)行之有效的方法。

4 鋼管管端缺陷信號(hào)的模擬仿真

本文模擬在鋼管管端加入引體情況下管端非軸向缺陷信號(hào)的檢測(cè)情況，先在鋼管距管端20 mm處人工刻畫(huà)一個(gè)N12.5的線性缺陷，深度在0.5～1.5mm之間。設(shè)置引體和鋼管之間距離為0.1 mm，局部接觸，引體的磁導(dǎo)率與鋼管相同。選擇磁力線數(shù)為100，代入設(shè)定值可獲得加入引體后求解得到的缺陷管端磁場(chǎng)分布，如圖5所示。

從圖5中可以看出，鋼管管端的磁場(chǎng)幾乎都包含在管體壁內(nèi)，磁力線呈閉合狀態(tài)，無(wú)散射現(xiàn)象;外表面的磁場(chǎng)呈軸向平行分布，鋼管端部與引體接觸面處的磁場(chǎng)可近似看作管體內(nèi)一個(gè)面缺陷形成的磁場(chǎng);可以非常清楚地看到距離管端20 mm處的缺陷信號(hào)形成的漏磁場(chǎng)，也就是說(shuō)管端缺陷信號(hào)可以被很準(zhǔn)確地識(shí)別出來(lái)。

圖5 加引體有缺陷管端磁場(chǎng)分布

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)鋼管高速檢測(cè)中不可避免出現(xiàn)的管端檢測(cè)盲區(qū)，借助Ansys軟件強(qiáng)大的電磁場(chǎng)模擬分析和實(shí)體建模功能，分析了鋼管管端磁場(chǎng)分布，并實(shí)時(shí)地引入引體，解決了管端磁力線散射對(duì)盲區(qū)檢測(cè)的影響，對(duì)管端缺陷信號(hào)進(jìn)行模擬仿真，結(jié)果證明能準(zhǔn)確地識(shí)別出缺陷信號(hào)，可以消除管端缺陷檢測(cè)盲區(qū)。

[1] 何輔云，張 艷，張海燕，等，鋼管端頭漏磁檢測(cè)技術(shù)[J].無(wú)損檢測(cè)，2005，27(8):405-406.

[2] 閻照文.Ansys10.0工程電磁分析技術(shù)與實(shí)例詳解[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2006:102-126.

[3] 何輔云.采油用鋼管的檢測(cè)與缺陷識(shí)別[J].模式識(shí)別與人工智能，2000，(3):73-77.

[4] 張俊哲.無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，1995:16-43.

[5] 蔣立新.鋼管端頭可視化系統(tǒng)和方法[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，2004.

[6] 胡 雋.鋼管磁檢測(cè)方法中定量檢測(cè)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，2002.

[7] 汪友生，梁 策.管道內(nèi)壁缺陷漏磁信號(hào)的Ansys仿真與分析[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2005，13(3):273-275.

[8] 王太勇，蔣 奇，夏長(zhǎng)亮，等.鋼管漏磁方法在線計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2001，22(3):169-170.