電磁超聲無損檢測技術(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  來源:仿真在線

本文對有限元分析軟件ANSYS對電磁超聲無損檢測技術(shù)進(jìn)行了研究,通過仿真,比較了電磁超聲檢測過程中缺陷對被測導(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)電磁場仿真的過程,為電磁超聲的研究提供了幫助。

作者: 任曉可*李健    來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: CAE ANSYS 電磁超聲 有限元 無損檢測 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。油氣管道無損檢測技術(shù)就是預(yù)測隱患、為安全評價(jià)提供基礎(chǔ)資料的一種重要手段。管道無損檢測技術(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),正引起無損檢測領(lǐng)域越來越高的重視。
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,通過仿真比較了缺陷對被測物體表面磁流密度、磁感應(yīng)強(qiáng)度和渦流等情況的影響,提出了設(shè)計(jì)EMAT檢測裝置和進(jìn)行檢測數(shù)據(jù)分析時(shí)值得注意的方面,對指導(dǎo)EMAT無損檢測的研究具有重要的意義。
1 電磁超聲檢測技術(shù)的理論依據(jù)
在被測物體表面設(shè)置一曲折線圈,某一時(shí)刻,通過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H,會在被測物體內(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,就會與金屬內(nèi)部渦流相互作用,產(chǎn)生洛倫茲力。被測物體的質(zhì)點(diǎn)在此力的作用下產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng),從而產(chǎn)生沿被測件輻射或沿表面?zhèn)鞑サ某暡?。這就是電磁超聲激發(fā)的基本原理。電磁超聲的接收是激發(fā)的逆過程。當(dāng)被測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)致被測導(dǎo)體的表層出現(xiàn)交變的磁場,這個(gè)交變磁場漏出導(dǎo)電體,在被測導(dǎo)體上方的線圈中感生出電動(dòng)勢。這樣,就可以進(jìn)行檢測了。在電磁超聲無損檢測中,被測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,通過有限個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接,單元之間的力通過節(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、磁場、聲場分析于一體。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)電磁超聲無損檢測裝置的結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn),取單元類型為空氣、線圈和被測導(dǎo)體,定義材料屬性。設(shè)被測導(dǎo)體的相對磁導(dǎo)率μ_r=500,電阻率ρ=9.17×10^-8Ω·m,線圈的相對磁導(dǎo)率μ_r=1,電阻率ρ=1.68×10^-8Ω·m。考慮到模型具有對稱性,且假設(shè)線圈導(dǎo)線的長度比線間距要大得多,可將模型簡化成二維情況來進(jìn)行有限元分析。設(shè)被測物體為半無限大導(dǎo)體,在其上方放置曲折線圈,線圈由一根導(dǎo)線來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的偏置磁場中,方向豎直向下。為比較缺陷對電磁超聲檢測過程中各因素的影響,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
在電磁場微分方程的求解過程中,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)間步長設(shè)為0.2μs,信號波形如圖2所示。根據(jù)所加激勵(lì)的類型,耦合線圈自由度,進(jìn)行瞬態(tài)磁場分析。

圖2 激勵(lì)電流信號波形

2.3后處理
求解結(jié)束后,可選擇相應(yīng)時(shí)間步,獲得分析過程中相關(guān)的等值線圖,云圖和矢量圖等?？赏ㄟ^選擇節(jié)點(diǎn),讀取其在分析過程中某一參數(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),會產(chǎn)生一個(gè)交變的電磁場H,交變磁場的磁流密度如圖3和圖4所示。磁流密度的具體數(shù)值可通過等值線讀取。可見當(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 被測導(dǎo)體表面不存在缺陷時(shí)交變磁場的磁流密度

圖4 被測導(dǎo)體表面存在缺陷時(shí)交變磁場的磁流密度

導(dǎo)線下方感應(yīng)出的動(dòng)態(tài)磁場的磁感應(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,交變的磁場會在導(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種情況下被測導(dǎo)體表面感生的電渦流如圖7和圖8所示?？梢娙毕萏幍臏u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,這說明渦流受到趨膚效應(yīng)的影響,在被測導(dǎo)體中隨深度衰減嚴(yán)重,若缺陷過深,那么其深處表面的感生渦流很可能無法測得。因此,無論是在EMAT檢測裝置的設(shè)計(jì)或是檢測數(shù)據(jù)的分析中,都應(yīng)充分考慮到渦流的趨膚效應(yīng),通過改變線圈的物理特性或提高換能器的轉(zhuǎn)換效率來克服由趨膚效應(yīng)引起的影響。

圖5 沒有缺陷時(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
電磁超聲無損檢測技術(shù)用電磁感應(yīng)渦流原理激發(fā)超聲波,具有換能器與被測體表面非接觸、無需耦合劑、重復(fù)性好、檢測速度高等優(yōu)點(diǎn)。通過有限元分析軟件ANSYS對EMAT進(jìn)行仿真,直觀地分析了缺陷對被測物體表面磁感應(yīng)強(qiáng)度和渦流等的影響,為利用EMAT無損檢測技術(shù)進(jìn)行缺陷檢測奠定了基礎(chǔ)。

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