基于ANSYS的管道磁記憶檢測技術(shù)仿真研究

易 方

(北京航空油料檢測中心)

應(yīng)用ANSYS進行金屬磁記憶檢測的力磁效應(yīng)分析，其基本原理是：采用直接耦合的方式，通過對應(yīng)力集中區(qū)域鐵磁性管道的基本屬性(包括磁導(dǎo)率等)進行賦值，進而求解出其他相關(guān)量(如磁場強度等)。通過模擬地磁場和外應(yīng)力作用下的加載條件，探討不同外應(yīng)力條件下管道應(yīng)力集中部位磁場的變化規(guī)律[1～3]。

1 管道模型建立

以小口徑鐵磁性管道的一段為研究對象，管道模型的基本尺寸如圖1所示，管道外半徑R=80mm，內(nèi)半徑r=75mm，管段長200mm，在管段長度中央上部M點處設(shè)定一個直徑D=4mm的通孔作為缺陷。

圖1 管道模型

根據(jù)圖1中點劃線確定坐標(biāo)軸，x、y軸分別沿管道直徑方向，z軸沿管道軸向，x-y-z軸的方向滿足右手法則。由于管道和缺陷均關(guān)于y-z平面對稱，所以截取1/2管道進行分析，管道截面位于y-z平面，通孔也為原來缺陷的1/2。

圖2為帶缺陷的管道有限元模型和空氣模型。缺陷管道模型選取1/2管道和缺陷進行建模。應(yīng)力分析過程不需要空氣模型；在磁場分析過程中，管道磁記憶檢測的有限元模型需要模擬空氣磁場的影響，因此選用尺寸為240mm×100mm×200mm的立方體空氣模型覆蓋管道模型。缺陷空氣的外層用遠場單元進行標(biāo)識約束，或者在空氣層外表面施加平行或者垂直通量約束。由于有限元管道模型施加了約束和載荷，因此也直接對空氣層外表面施加平行通量約束。

a.管道模型

b.空氣模型

應(yīng)力分析中采用 SOLID45單元，該單元為八節(jié)點六面體單元，每個節(jié)點有3個自由度，具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力鋼化、大變形和大應(yīng)變功能，可通過選取非線性模型進行塑性單軸、多軸拉伸過程模擬。磁場分析中采用磁標(biāo)勢分析單元 SOLID96，該單元為三維磁學(xué)分析單元，其自由度為磁標(biāo)勢 MAG，可用于簡化磁標(biāo)勢(RSP)、差分磁標(biāo)勢(DSP)和通用磁標(biāo)勢(GSP)分析[3，4]。劃分網(wǎng)格之后的管道和空氣模型單元幾何形狀和節(jié)點分布如圖3所示。

a.管道模型 b.空氣模型

2 約束與應(yīng)力加載

2.1應(yīng)力分析

為了討論管道在不同類型應(yīng)力狀態(tài)下，檢測磁場與應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系，在進行應(yīng)力分析過程中將約束與應(yīng)力加載分為以下兩種形式：

a.拉應(yīng)力狀態(tài)。如圖4a在管道模型一端施加面約束，另一個端面施加拉應(yīng)力，位移約束和拉應(yīng)力載荷位置將自動轉(zhuǎn)化至相應(yīng)節(jié)點處。

b.彎曲變形狀態(tài)。如圖4b對管道模型沿軸向?qū)ΨQ面施加位移約束，在兩端沿端面切向施加兩個剪應(yīng)力，位移約束和拉應(yīng)力載荷位置將自動轉(zhuǎn)化至相應(yīng)節(jié)點處。

圖4 約束與應(yīng)力加載

2.2材料屬性賦值

通過輸入應(yīng)力應(yīng)變曲線的方式，對劃分網(wǎng)格之后的管道模型進行非線性靜力學(xué)分析[6,7]，得到的應(yīng)力分析結(jié)果構(gòu)建單元表數(shù)組，對磁場分析所需要的管道模型和空氣模型進行磁學(xué)特性賦值。

2.3磁場分析

管道有限元磁場分析，賦值0.6Gauss空氣磁場模擬大地磁場，同時對空氣邊界施加通量平行邊界條件。

3 拉應(yīng)力狀態(tài)的檢測漏磁場

在ANSYS中建立長度為200mm的管段模型，固定管道的一個端面，在另一個端面沿軸向施加拉應(yīng)力，拉應(yīng)力大小由0逐漸增大至屈服極限，得出管段正中心100mm位置磁場強度的切向分量Bx和法向分量By隨拉應(yīng)力變化曲線(圖5)。圖5表示了3種不同材料的管道受到0～400MPa拉應(yīng)力作用時磁場強度的變化。結(jié)果表明：不同材料特性的管道磁場強度隨拉應(yīng)力變化趨勢大致相同，不同拉應(yīng)力狀態(tài)下管道漏磁場強度變化幅度受到管道材料的影響，屈服強度值越大，幅值越小。隨著0～400MPa逐漸加載，管道中心100mm處的磁場強度切向分量由剩磁場逐漸增大；法向分量由剩磁場出現(xiàn)負增長。

觀察圖5，在施加拉應(yīng)力的起始階段，磁場強度Bx值并未隨著應(yīng)力增大而增大，而是出現(xiàn)了減小現(xiàn)象。根據(jù)磁機械效應(yīng)原理，受到持續(xù)變化載荷作用的鐵磁性材料的磁化強度朝著非磁滯方向變化[8,9]。因此，拉應(yīng)力并不是簡單的使鐵磁性管道的磁場強度隨外應(yīng)力增加，而是朝著抗磁性方向有一個短暫的偏移，出現(xiàn)減小。

圖5 磁場強度隨拉應(yīng)力變化曲線圖

圖6中a、b、c分別表示3種材料的管道受到400MPa拉應(yīng)力作用時不同位置的磁場強度變化曲線。根據(jù)應(yīng)力分布曲線，管道磁場強度最大值位于固定夾持端0mm位置，但是在100mm缺陷位置磁場強度出現(xiàn)局部極值，法向分量By在100mm附近位置出現(xiàn)過零點，符合磁記憶檢測準(zhǔn)則。

圖6 磁場強度隨位移變化曲線圖

4 彎曲變形狀態(tài)的檢測漏磁場

為了研究管道處于彎曲變形狀態(tài)，切應(yīng)力對檢測漏磁場的影響，設(shè)定圖4b所示3點的彎曲應(yīng)力狀態(tài)，通過應(yīng)力分析和磁場分析得出不同管道位置下磁記憶信號切向分量和法向分量的曲線(圖7)。圖7為預(yù)定載荷作用下，管道0～200mm段漏磁場強度的變化曲線，圖中磁場切向分量Bx曲線在管道中間段100mm即缺陷處存在一個峰值，而法向分量By在100mm缺陷處場強絕對值為0，且磁場強度改變方向。

圖7 磁場強度隨位移變化曲線圖

采用ANSYS有限元仿真設(shè)定載荷條件下缺陷管道的應(yīng)力分布云圖如圖8所示。根據(jù)仿真結(jié)果，沿管道軸線方向中間層的正應(yīng)力最小，管道中間頂端受到最大的壓應(yīng)力，中間底端受到最大的拉應(yīng)力，與圖7中100mm處磁場法向分量過零點、切向分量達到極值相對應(yīng)，規(guī)律一致。

根據(jù)圖7、8分析，管道切應(yīng)力沿管道截面按照拋物線變化，中間管段受到切應(yīng)力最大。磁場法向分量的零點位于管道中間段，隨載荷增大，法向分量By的梯度逐漸增大。受拉層即管道中間層以下By值為負值，受壓層即管道中間層以上By值為正值，受拉層與受壓層磁記憶信號符號相反，反應(yīng)不同管段受到正應(yīng)力發(fā)生相應(yīng)變化。

圖8 缺陷管道有限元應(yīng)力分布云圖

5 結(jié)論

5.1從力磁效應(yīng)原理出發(fā)，利用外應(yīng)力引起應(yīng)力集中導(dǎo)致材料磁特性發(fā)生變化的規(guī)律，采用有限元方法，建立了磁記憶檢測過程中力磁效應(yīng)模型，通過應(yīng)力分析和磁場分析，研究了應(yīng)力場和檢測磁場之間的變化關(guān)系，證明應(yīng)力狀態(tài)下漏磁場分布及應(yīng)力場分布規(guī)律一致。

5.2不同應(yīng)力狀態(tài)的管道雖然磁場強度不同，但是理想狀態(tài)下的缺陷判定準(zhǔn)則可以作為宏觀缺陷引起應(yīng)力集中的判斷依據(jù)。漏磁場切向分量Bx具有最大值，法向分量By改變符號且具有零值點這一結(jié)論構(gòu)成了磁記憶檢測各種類型缺陷的判定準(zhǔn)則，相應(yīng)的磁記憶檢測裝置也是根據(jù)這一準(zhǔn)則來確定構(gòu)件表面的應(yīng)力集中部位。

5.3由于有限元仿真并未考慮磁記憶信號影響因素的干擾，通過分析理想狀態(tài)的管道缺陷位置，磁場的切向分量和法向分量的特征變化可以作為判定宏觀缺陷導(dǎo)致應(yīng)力集中的磁記憶檢測判定準(zhǔn)則。

[1] Doubov A A.Principle Features of Metal Magnetic Memory Method and Inspection Tools as Compared to Known Magnetic NDT Methods[J].CINDE Journal，2006，27(3)：16～20.

[2] 徐敏強，李建偉，冷建成，等．金屬磁記憶檢測技術(shù)機理模型[J]．哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，42(1)：16～19．

[3] 沈繼忱，趙士榮，董明瑞.管道振動故障三維識別方法[J].化工自動化及儀表，2012，39(1)：28～31.

[4] 謝龍漢.ANASYS電磁場分析[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012．

[5] 孫艷婷.金屬管道裂紋的金屬磁記憶量化評價方法研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2011．

[6] 汪友生，閆照文.ANSYS在管道漏磁檢測中的應(yīng)用[J].測控技術(shù)，2005，24(7)：24～27．

[7] 董麗虹，徐濱士，董世運，等．金屬磁記憶技術(shù)表征應(yīng)力集中殘余應(yīng)力及缺陷的探討[J].材料工程，2009，(8)：19～22．

[8] Jiles D C.Theory of the Magnetomechanical Effect[J].Journal of Physics D: Applied Physics，1995，32(15)： 1537～1546.

[9] 仲維暢.工具鋼環(huán)形試件表面下人工孔在其表面產(chǎn)生的漏磁場[J].無損檢測，2009，31(5)：352～355．