基于ANSYS的管道磁記憶檢測技術仿真研究

易 方

(北京航空油料檢測中心)

應用ANSYS進行金屬磁記憶檢測的力磁效應分析，其基本原理是：采用直接耦合的方式，通過對應力集中區域鐵磁性管道的基本屬性(包括磁導率等)進行賦值，進而求解出其他相關量(如磁場強度等)。通過模擬地磁場和外應力作用下的加載條件，探討不同外應力條件下管道應力集中部位磁場的變化規律[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，內半徑r=75mm，管段長200mm，在管段長度中央上部M點處設定一個直徑D=4mm的通孔作為缺陷。

圖1 管道模型

根據圖1中點劃線確定坐標軸，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

應力分析中采用 SOLID45單元，該單元為八節點六面體單元，每個節點有3個自由度，具有塑性、蠕變、膨脹、應力鋼化、大變形和大應變功能，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勢分析單元 SOLID96，該單元為三維磁學分析單元，其自由度為磁標勢 MAG，可用于簡化磁標勢(RSP)、差分磁標勢(DSP)和通用磁標勢(GSP)分析[3，4]。劃分網格之后的管道和空氣模型單元幾何形狀和節點分布如圖3所示。

a.管道模型 b.空氣模型

2 約束與應力加載

2.1應力分析

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

a.拉應力狀態。如圖4a在管道模型一端施加面約束，另一個端面施加拉應力，位移約束和拉應力載荷位置將自動轉化至相應節點處。

b.彎曲變形狀態。如圖4b對管道模型沿軸向對稱面施加位移約束，在兩端沿端面切向施加兩個剪應力，位移約束和拉應力載荷位置將自動轉化至相應節點處。

圖4 約束與應力加載

2.2材料屬性賦值

通過輸入應力應變曲線的方式，對劃分網格之后的管道模型進行非線性靜力學分析[6,7]，得到的應力分析結果構建單元表數組，對磁場分析所需要的管道模型和空氣模型進行磁學特性賦值。

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 拉應力狀態的檢測漏磁場

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力，拉應力大小由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拉應力作用時磁場強度的變化。結果表明：不同材料特性的管道磁場強度隨拉應力變化趨勢大致相同，不同拉應力狀態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負增長。

觀察圖5，在施加拉應力的起始階段，磁場強度Bx值并未隨著應力增大而增大，而是出現了減小現象。根據磁機械效應原理，受到持續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，拉應力并不是簡單的使鐵磁性管道的磁場強度隨外應力增加，而是朝著抗磁性方向有一個短暫的偏移，出現減小。

圖5 磁場強度隨拉應力變化曲線圖

圖6中a、b、c分別表示3種材料的管道受到400MPa拉應力作用時不同位置的磁場強度變化曲線。根據應力分布曲線，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局部極值，法向分量By在100mm附近位置出現過零點，符合磁記憶檢測準則。

圖6 磁場強度隨位移變化曲線圖

4 彎曲變形狀態的檢測漏磁場

為了研究管道處于彎曲變形狀態，切應力對檢測漏磁場的影響，設定圖4b所示3點的彎曲應力狀態，通過應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有限元仿真設定載荷條件下缺陷管道的應力分布云圖如圖8所示。根據仿真結果，沿管道軸線方向中間層的正應力最小，管道中間頂端受到最大的壓應力，中間底端受到最大的拉應力，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，規律一致。

根據圖7、8分析，管道切應力沿管道截面按照拋物線變化，中間管段受到切應力最大。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，反應不同管段受到正應力發生相應變化。

圖8 缺陷管道有限元應力分布云圖

5 結論

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

5.2不同應力狀態的管道雖然磁場強度不同，但是理想狀態下的缺陷判定準則可以作為宏觀缺陷引起應力集中的判斷依據。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論構成了磁記憶檢測各種類型缺陷的判定準則，相應的磁記憶檢測裝置也是根據這一準則來確定構件表面的應力集中部位。

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致應力集中的磁記憶檢測判定準則。

[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機理模型[J]．哈爾濱工業大學學報，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，2011．

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

[7] 董麗虹，徐濱士，董世運，等．金屬磁記憶技術表征應力集中殘余應力及缺陷的探討[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.工具鋼環形試件表面下人工孔在其表面產生的漏磁場[J].無損檢測，2009，31(5)：352～355．