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是當前應用最廣泛的軟件之一，它是融結構、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，已廣泛應用于航空航天、機械、能源、電工、土木工程等領域[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°），勵磁結構永磁鐵，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。

智能網格劃分中的水平控制設置10個等級，網格劃分越精細，計算結果精度就越高，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，提取規定路徑上的磁場分布情況，改變缺陷長度來分析其對磁感應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。設定缺陷長度變化范圍1～21mm。改變缺陷長度的磁感應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系。軸向曲線由單峰變為雙峰，且峰值越來越小。

4 結語

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

參考文獻

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