管道磁檢測缺陷磁場的ANSYS仿真研究

曲杰+姜琳+高春利

摘 要：針對海底管道檢測中的缺陷磁場的特點，本文基于數(shù)值求解的方法，利用ANSYS軟件對缺陷磁場進行有限元分析。并通過ANSYS軟件采用控制單一變量法對漏磁場的影響因素進行了分析，得到了缺陷尺寸對磁場的影響情況。

關(guān)鍵詞：ANSYS仿真；缺陷磁場；缺陷尺寸

中圖分類號：TG441.7 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）10-0060-01

Abstract：In view of the characters of defective magnetic field， based on the numerical solution， the finite element analysis of the defective magnetic field is carried out by ANSYS software. Through the ANSYS software， the influencing factors of the leakage magnetic field are analyzed by using the control variables method， and the influence of the defect size on the magnetic field is obtained.

Key words：ANSYS simulation， Defective field， defect size

1 引言

管道運輸目前已經(jīng)成為最主要的油氣運輸方式，磁檢測法被認為是的最有效的方法之一，國內(nèi)外很多科學家對磁檢測法進行了研究[1-4]，最常用的勵磁方式是永磁磁鐵勵磁。缺陷磁場需采用模擬方法進行分析。數(shù)值法[5]是基于求解麥克斯維方程的一種分析方法，有很多不同的分支，最具代表性的是有限元法。ANSYS是當前應(yīng)用最廣泛的軟件之一，它是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于航空航天、機械、能源、電工、土木工程等領(lǐng)域[6-8]。有限元軟件的仿真分析可分為三個階段：前處理、處理和后處理。本文將基于ANSYS軟件的仿真結(jié)果，對影響管道磁檢測缺陷磁場的因素進行分析。

2 ANSYS仿真

2.1 建立缺陷檢測的三維模型

管壁上的絕大多數(shù)缺陷是點狀缺陷或面狀缺陷，為研究缺陷寬度對所檢測到磁信號的影響，需要建立三維有限元模型。本文采用實體建模法建立三維缺陷檢測模型，包括被檢測對象的部分管壁（取管壁圓周的1/24，即15°），勵磁結(jié)構(gòu)永磁鐵，還有其余的磁路部分有軛鐵、導磁體和缺陷上方及裝置周圍的空氣場。

2.2 單元類型，材料屬性及網(wǎng)格劃分

單元類型：本次分析采用永磁鐵勵磁方式，定義SOLID96單元為本次分析所選定的單元類型；相對磁導率：由材料磁特性手冊知，永磁體的相對磁導率為1.05；矯頑力：N45永磁鐵的矯頑力876KA/m，進行實物材料屬性的測量后，繪制磁滯回線知永磁鐵的矯頑力為8776.76833Oe；軛鐵、導磁體、管壁：軛鐵及導磁體采用導磁率較高的電磁純鐵DT4E，由材料磁特性手冊知其相對磁導率為12016。電磁純鐵和管壁的磁特性都是非線性的，需對其定義B-H磁特性曲線；空氣：由鐵磁性材料磁特性手冊知，空氣的相對磁導率為1.0。

智能網(wǎng)格劃分中的水平控制設(shè)置10個等級，網(wǎng)格劃分越精細，計算結(jié)果精度就越高，但是計算時間卻大幅增加。

2.3 求解

磁檢測的ANSYS仿真求解計算的迭代過程曲線如圖1所示。

由圖1可知，藍色曲線是收斂準則，紅色曲線是當前迭代位移收斂情況，兩線相交表示計算收斂，即求解計算成功。

3 缺陷長度變化對漏磁場的影響

利用ANSYS有限元分析軟件的后處理器來定義路徑，提取規(guī)定路徑上的磁場分布情況，改變?nèi)毕蓍L度來分析其對磁感應(yīng)強度的空間漏磁場分布的影響，由于周向分量始終沒有明顯變化，所以我們提取路徑上獲得缺陷磁場磁通量密度的徑向和軸向分量。設(shè)定缺陷長度變化范圍1～21mm。改變?nèi)毕蓍L度的磁感應(yīng)強度軸向分布曲線如圖2所示。

由圖2中可知，當缺陷的深度一定時，磁感應(yīng)強度軸向分量的谷間距離隨著缺陷長度的增大而增大，所以谷間距同缺陷的長度存在固定的關(guān)系。軸向曲線由單峰變?yōu)殡p峰，且峰值越來越小。

4 結(jié)語

本文基于數(shù)值求解的方法，利用ANSYS軟件對缺陷磁場進行有限元分析。并且根據(jù)ANSYS仿真結(jié)果分析了缺陷尺寸和提離值各自對磁場的影響。結(jié)果顯示當缺陷的長度固定時，磁感應(yīng)強度軸向分量峰值隨著缺陷深度的增加而增加，磁感應(yīng)強度軸向分量的峰值與缺陷的深度存在著固定的關(guān)系。

參考文獻

[1]李珍國，王紅斌，王江浩.基于電流波形檢測法的開關(guān)磁阻電動機無位置傳感器控制[J].電工技術(shù)學報，2016，31（11）：97-100.

[2]S. Kathirmani， A.K. Tangirala， S. SahaS. Mukhopadhyay. Inverse mapping of magnetic ux leakage signal for defect characterization [J]， NDT & E International， 2012， 50（9）：1-9.

[3]Minkov D，Takeda Y， Shoji T，et al. Estimating the sizes of surface cracks based on hallelement measurements of the leakage magnetic field and a dipole model of a crack[J]. Applied Physics a-Materials Science&Processing. 2002， 74（2）：169—176.

[4]劉金海，付明芮，唐建華.基于漏磁內(nèi)檢測的缺陷識別方法[J].儀器儀表學報，2016，37（11）：2572-2577.

[5]馬青山，駱祖江.解析法和數(shù)值法在礦井涌水量預測中的比較[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2015，42（4）：62-67.

[6]王海燕，趙玲，王明.基于ANSYS的跨越管道的有限元分析[J].遼寧石油工業(yè)大學學報，2016，32（2）：25-27.

[7]戴光，孫立強，楊志軍，崔巍.圓筒形容器漏磁內(nèi)檢測ANSYS仿真分析與試驗[J].無損檢測，2013，35（3）：25-29.

[8]曹洪鵬，徐海兵，崔小凡.基于ANSYS的托管架有限元分析[J].船舶工程，2016，38（S1）：121-123.