搜索電磁超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的ANSYS仿真研究
2013-06-05 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線
本文對(duì)有限元分析軟件ANSYS對(duì)電磁超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究,通過(guò)仿真,比較了電磁超聲檢測(cè)過(guò)程中缺陷對(duì)被測(cè)導(dǎo)體表面磁流密度、磁感應(yīng)強(qiáng)度和渦流等的影響,并介紹了ANSYS軟件進(jìn)行瞬態(tài)電磁場(chǎng)仿真的過(guò)程,為電磁超聲的研究提供了幫助。
作者: 任曉可*李健 來(lái)源: 萬(wàn)方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: CAE ANSYS 電磁超聲 有限元 無(wú)損檢測(cè) 管道
0 引言
管道作為能源運(yùn)輸?shù)闹饕绞?其安全性是相當(dāng)重要的。油氣管道無(wú)損檢測(cè)技術(shù)就是預(yù)測(cè)隱患、為安全評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)資料的一種重要手段。管道無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的原理有很多種,目前應(yīng)用較多的是超聲法、漏磁法和渦流法。新興的電磁超聲技術(shù)作為一種激發(fā)原理特殊的超聲,因其不需要耦合介質(zhì),易于選定所激發(fā)的超聲模式等優(yōu)點(diǎn),正引起無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域越來(lái)越高的重視。
電磁超聲雖然具有眾多優(yōu)點(diǎn),但由于其轉(zhuǎn)換效率低,衰減嚴(yán)重,受噪聲污染大,檢測(cè)結(jié)果常常不理想。因此,利用有限元分析軟件,建立EMAT的二維模型,通過(guò)仿真比較了缺陷對(duì)被測(cè)物體表面磁流密度、磁感應(yīng)強(qiáng)度和渦流等情況的影響,提出了設(shè)計(jì)EMAT檢測(cè)裝置和進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)分析時(shí)值得注意的方面,對(duì)指導(dǎo)EMAT無(wú)損檢測(cè)的研究具有重要的意義。
1 電磁超聲檢測(cè)技術(shù)的理論依據(jù)
在被測(cè)物體表面設(shè)置一曲折線圈,某一時(shí)刻,通過(guò)往線圈中加載一高壓窄脈沖或時(shí)諧電流源激勵(lì)產(chǎn)生一個(gè)交變的電磁場(chǎng)H,會(huì)在被測(cè)物體內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流,即渦流I。如果同時(shí)施加一由永磁體產(chǎn)生的穩(wěn)定磁場(chǎng),就會(huì)與金屬內(nèi)部渦流相互作用,產(chǎn)生洛倫茲力。被測(cè)物體的質(zhì)點(diǎn)在此力的作用下產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng),從而產(chǎn)生沿被測(cè)件輻射或沿表面?zhèn)鞑サ某暡ā＿@就是電磁超聲激發(fā)的基本原理。電磁超聲的接收是激發(fā)的逆過(guò)程。當(dāng)被測(cè)物體表面有超聲自內(nèi)部投射時(shí),質(zhì)點(diǎn)發(fā)生位移,帶正電荷的晶格在偏置磁場(chǎng)的作用下受力,產(chǎn)生交變電流。這個(gè)交變電流將導(dǎo)致被測(cè)導(dǎo)體的表層出現(xiàn)交變的磁場(chǎng),這個(gè)交變磁場(chǎng)漏出導(dǎo)電體,在被測(cè)導(dǎo)體上方的線圈中感生出電動(dòng)勢(shì)。這樣,就可以進(jìn)行檢測(cè)了。在電磁超聲無(wú)損檢測(cè)中,被測(cè)物體作為龜磁超聲傳感器的一部分,必須是電導(dǎo)體或磁導(dǎo)體。若被測(cè)物體是鐵磁性材料,除洛侖茲力外,還受到磁致伸縮力的作用。
2 仿真方法
有限元分析是將物體劃分成有限個(gè)單元,單元看作是不可變形的剛體,通過(guò)有限個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接,單元之間的力通過(guò)節(jié)點(diǎn)傳遞,然后利用能量原理建立各單元矩陣,在輸入材料特性、載荷和約束等邊界條件后,利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行物體特性計(jì)算和分析。ANSYS軟件是目前最常用的有限元分析軟件之一,融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體。軟件主要包括3個(gè)模塊:前處理模塊,求解模塊和后處理模塊。
2.1前處理
根據(jù)電磁超聲無(wú)損檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn),取單元類(lèi)型為空氣、線圈和被測(cè)導(dǎo)體,定義材料屬性。設(shè)被測(cè)導(dǎo)體的相對(duì)磁導(dǎo)率μr=500,電阻率ρ=9.17×10-8Ω·m,線圈的相對(duì)磁導(dǎo)率μr=1,電阻率ρ=1.68×10-8Ω·m?？紤]到模型具有對(duì)稱性,且假設(shè)線圈導(dǎo)線的長(zhǎng)度比線間距要大得多,可將模型簡(jiǎn)化成二維情況來(lái)進(jìn)行有限元分析。設(shè)被測(cè)物體為半無(wú)限大導(dǎo)體,在其上方放置曲折線圈,線圈由一根導(dǎo)線來(lái)回沿直角彎曲成一組6條平行線,相鄰導(dǎo)線間距b=1mm,提離距離h=0.5 mm,導(dǎo)線橫截面為正方形,邊長(zhǎng)a=0.2mm,相鄰兩導(dǎo)線電流方向相反。導(dǎo)體處在磁感應(yīng)強(qiáng)度B0=1T的偏置磁場(chǎng)中,方向豎直向下。為比較缺陷對(duì)電磁超聲檢測(cè)過(guò)程中各因素的影響,在導(dǎo)線3下方設(shè)置了一個(gè)0.1mm×0.2mm的裂縫,EMAT模型如圖1所示。建立模型后,給面賦予特性,確定單元關(guān)系,并進(jìn)行智能網(wǎng)格劃分。
圖1 EMAT激發(fā)系統(tǒng)二維平面模型
2.2求解
在電磁場(chǎng)微分方程的求解過(guò)程中,只有限制了邊界條件和初始條件,才有確定解,因此,為被測(cè)導(dǎo)體設(shè)置邊界條件,并規(guī)定各項(xiàng)力標(biāo)志。根據(jù)電磁超聲的激發(fā)機(jī)理,采用時(shí)變電流對(duì)線圈施加激勵(lì)。設(shè)激勵(lì)電流的形式為i(t)=sin2(π×105t)cos2(π×106t),取分析時(shí)間為10μs,此時(shí)激勵(lì)電流可視為衰減到0,時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為0.2μs,信號(hào)波形如圖2所示。根據(jù)所加激勵(lì)的類(lèi)型,耦合線圈自由度,進(jìn)行瞬態(tài)磁場(chǎng)分析。
圖2 激勵(lì)電流信號(hào)波形
2.3后處理
求解結(jié)束后,可選擇相應(yīng)時(shí)間步,獲得分析過(guò)程中相關(guān)的等值線圖,云圖和矢量圖等?？赏ㄟ^(guò)選擇節(jié)點(diǎn),讀取其在分析過(guò)程中某一參數(shù)隨時(shí)間或頻率連續(xù)變換的情況。還可以以麥克斯韋方程組為出發(fā)點(diǎn),求解磁通、力和能量等參數(shù)。
3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果
當(dāng)線圈受時(shí)諧電流源激勵(lì)時(shí),會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變的電磁場(chǎng)H,交變磁場(chǎng)的磁流密度如圖3和圖4所示。磁流密度的具體數(shù)值可通過(guò)等值線讀取?？梢?jiàn)當(dāng)不存在缺陷時(shí),各條導(dǎo)線下方的磁流密度大致相等,當(dāng)存在缺陷時(shí),缺陷兩側(cè)鋼板表面的磁流密度就比其它地方大,而缺陷深處磁流密度卻變得非常小。
圖3 被測(cè)導(dǎo)體表面不存在缺陷時(shí)交變磁場(chǎng)的磁流密度
圖4 被測(cè)導(dǎo)體表面存在缺陷時(shí)交變磁場(chǎng)的磁流密度
導(dǎo)線下方感應(yīng)出的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度如圖5和圖6所示。當(dāng)不存在缺陷時(shí),各條導(dǎo)線下方的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線類(lèi)似,只是幅值稍有不同。當(dāng)存在缺陷時(shí),選取的是導(dǎo)線3下方缺陷最深處正中央的節(jié)點(diǎn),和導(dǎo)線4下方節(jié)點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行比較。顯然缺陷處磁感應(yīng)強(qiáng)度要小的多,交變的磁場(chǎng)會(huì)在導(dǎo)體表面感應(yīng)出電渦流,導(dǎo)體的電渦流受多種參數(shù)的共同影響,材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、激勵(lì)的頻率、相鄰導(dǎo)線的間距以及線圈與導(dǎo)體之間的提離距離等都影響其分布。2種情況下被測(cè)導(dǎo)體表面感生的電渦流如圖7和圖8所示?？梢?jiàn)缺陷處的渦流密度要比正常情況下小的多,這與缺陷處的磁感應(yīng)強(qiáng)度也是成正比的,這說(shuō)明渦流受到趨膚效應(yīng)的影響,在被測(cè)導(dǎo)體中隨深度衰減嚴(yán)重,若缺陷過(guò)深,那么其深處表面的感生渦流很可能無(wú)法測(cè)得。因此,無(wú)論是在EMAT檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)或是檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析中,都應(yīng)充分考慮到渦流的趨膚效應(yīng),通過(guò)改變線圈的物理特性或提高換能器的轉(zhuǎn)換效率來(lái)克服由趨膚效應(yīng)引起的影響。
圖5 沒(méi)有缺陷時(shí)線圈下方磁感應(yīng)強(qiáng)度
圖6 存在缺陷時(shí)線圈下方磁感應(yīng)強(qiáng)度
圖7 沒(méi)有缺陷時(shí)導(dǎo)體表面兩點(diǎn)電渦流
圖8 存在缺陷時(shí)導(dǎo)體表面兩點(diǎn)電渦流
4 結(jié)論
電磁超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)用電磁感應(yīng)渦流原理激發(fā)超聲波,具有換能器與被測(cè)體表面非接觸、無(wú)需耦合劑、重復(fù)性好、檢測(cè)速度高等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)有限元分析軟件ANSYS對(duì)EMAT進(jìn)行仿真,直觀地分析了缺陷對(duì)被測(cè)物體表面磁感應(yīng)強(qiáng)度和渦流等的影響,為利用EMAT無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行缺陷檢測(cè)奠定了基礎(chǔ)。
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