基于ANSYS的管道磁記憶檢測(cè)技術(shù)仿真研究

易 方

(北京航空油料檢測(cè)中心)

應(yīng)用ANSYS進(jìn)行金屬磁記憶檢測(cè)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(duì)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(jìn)行賦值，進(jìn)而求解出其他相關(guān)量(如磁場(chǎng)強(qiáng)度等)。通過模擬地磁場(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(zhǎng)200mm，在管段長(zhǎng)度中央上部M點(diǎn)處設(shè)定一個(gè)直徑D=4mm的通孔作為缺陷。

圖1 管道模型

根據(jù)圖1中點(diǎn)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(duì)稱，所以截取1/2管道進(jìn)行分析，管道截面位于y-z平面，通孔也為原來(lái)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(jìn)行建模。應(yīng)力分析過程不需要空氣模型；在磁場(chǎng)分析過程中，管道磁記憶檢測(cè)的有限元模型需要模擬空氣磁場(chǎng)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(yuǎn)場(chǎng)單元進(jìn)行標(biāo)識(shí)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(duì)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(diǎn)六面體單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)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(jìn)行塑性單軸、多軸拉伸過程模擬。磁場(chǎng)分析中采用磁標(biāo)勢(shì)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(shì) MAG，可用于簡(jiǎn)化磁標(biāo)勢(shì)(RSP)、差分磁標(biāo)勢(shì)(DSP)和通用磁標(biāo)勢(shì)(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(diǎn)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(cè)磁場(chǎng)與應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系，在進(jìn)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(gè)端面施加拉應(yīng)力，位移約束和拉應(yīng)力載荷位置將自動(dòng)轉(zhuǎn)化至相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處。

b.彎曲變形狀態(tài)。如圖4b對(duì)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(gè)剪應(yīng)力，位移約束和拉應(yīng)力載荷位置將自動(dòng)轉(zhuǎn)化至相應(yīng)節(jié)點(diǎn)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(duì)劃分網(wǎng)格之后的管道模型進(jìn)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(duì)磁場(chǎng)分析所需要的管道模型和空氣模型進(jìn)行磁學(xué)特性賦值。

2.3磁場(chǎng)分析

管道有限元磁場(chǎng)分析，賦值0.6Gauss空氣磁場(chǎng)模擬大地磁場(chǎng)，同時(shí)對(duì)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(cè)漏磁場(chǎng)

在ANSYS中建立長(zhǎng)度為200mm的管段模型，固定管道的一個(gè)端面，在另一個(gè)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(chǎng)強(qiáng)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(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化。結(jié)果表明：不同材料特性的管道磁場(chǎng)強(qiáng)度隨拉應(yīng)力變化趨勢(shì)大致相同，不同拉應(yīng)力狀態(tài)下管道漏磁場(chǎng)強(qiáng)度變化幅度受到管道材料的影響，屈服強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度切向分量由剩磁場(chǎng)逐漸增大；法向分量由剩磁場(chǎng)出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。

觀察圖5，在施加拉應(yīng)力的起始階段，磁場(chǎng)強(qiáng)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(jī)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(qiáng)度朝著非磁滯方向變化[8,9]。因此，拉應(yīng)力并不是簡(jiǎn)單的使鐵磁性管道的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨外應(yīng)力增加，而是朝著抗磁性方向有一個(gè)短暫的偏移，出現(xiàn)減小。

圖5 磁場(chǎng)強(qiáng)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(shí)不同位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線。根據(jù)應(yīng)力分布曲線，管道磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值位于固定夾持端0mm位置，但是在100mm缺陷位置磁場(chǎng)強(qiáng)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(diǎn)，符合磁記憶檢測(cè)準(zhǔn)則。

圖6 磁場(chǎng)強(qiáng)度隨位移變化曲線圖

4 彎曲變形狀態(tài)的檢測(cè)漏磁場(chǎng)

為了研究管道處于彎曲變形狀態(tài)，切應(yīng)力對(duì)檢測(cè)漏磁場(chǎng)的影響，設(shè)定圖4b所示3點(diǎn)的彎曲應(yīng)力狀態(tài)，通過應(yīng)力分析和磁場(chǎng)分析得出不同管道位置下磁記憶信號(hào)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(chǎng)強(qiáng)度的變化曲線，圖中磁場(chǎng)切向分量Bx曲線在管道中間段100mm即缺陷處存在一個(gè)峰值，而法向分量By在100mm缺陷處場(chǎng)強(qiáng)絕對(duì)值為0，且磁場(chǎng)強(qiáng)度改變方向。

圖7 磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)法向分量過零點(diǎn)、切向分量達(dá)到極值相對(duì)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(chǎng)法向分量的零點(diǎn)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(fù)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(hào)符號(hào)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(cè)過程中力磁效應(yīng)模型，通過應(yīng)力分析和磁場(chǎng)分析，研究了應(yīng)力場(chǎng)和檢測(cè)磁場(chǎng)之間的變化關(guān)系，證明應(yīng)力狀態(tài)下漏磁場(chǎng)分布及應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律一致。

5.2不同應(yīng)力狀態(tài)的管道雖然磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)切向分量Bx具有最大值，法向分量By改變符號(hào)且具有零值點(diǎn)這一結(jié)論構(gòu)成了磁記憶檢測(cè)各種類型缺陷的判定準(zhǔn)則，相應(yīng)的磁記憶檢測(cè)裝置也是根據(jù)這一準(zhǔn)則來(lái)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(hào)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(chǎng)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(cè)判定準(zhǔn)則。

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