復(fù)合勵(lì)磁漏磁檢測(cè)的ANSYS仿真分析

戴 光，趙 天，王學(xué)增，楊志軍

（東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，大慶 163318）

漏磁檢測(cè)原理是建立在鐵磁性材料高磁導(dǎo)率特性基礎(chǔ)上的，因而不適用于非鐵磁性金屬的檢測(cè)。漏磁檢測(cè)法具有不需要耦合，檢測(cè)速度快，高效能、無(wú)污染，檢測(cè)靈敏度高，檢測(cè)缺陷類型多，可靠性好，可實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的量化等特點(diǎn)，在儲(chǔ)罐底板和管道的裂紋及腐蝕檢測(cè)方面發(fā)揮了重要的作用［1］。

目前常用的勵(lì)磁方式有直流線圈勵(lì)磁和永久磁鐵勵(lì)磁，直流線圈勵(lì)磁往往需要較大的磁化器，才能使試件磁化飽和從而缺陷處產(chǎn)生足夠的漏磁場(chǎng)；而永久磁鐵的勵(lì)磁能力受到限制，不能對(duì)大部件進(jìn)行磁化，也不容易量化處理［2］。通過(guò)將直流線圈勵(lì)磁法和永久磁鐵勵(lì)磁法整合成復(fù)合勵(lì)磁法可以有效解決以上問(wèn)題［3］。筆者只對(duì)此進(jìn)行理論分析，后續(xù)將會(huì)進(jìn)行復(fù)合勵(lì)磁漏磁檢測(cè)試驗(yàn)進(jìn)而驗(yàn)證理論部分所得出的結(jié)論。

1 復(fù)合勵(lì)磁漏磁檢測(cè)原理

漏磁檢測(cè)是利用磁現(xiàn)象來(lái)檢測(cè)鐵磁材料工件表面及近表面缺陷的一種無(wú)損檢測(cè)方法。筆者采用永久磁鐵和直流電磁相結(jié)合的復(fù)合勵(lì)磁源磁化被測(cè)工件，復(fù)合勵(lì)磁漏磁檢測(cè)原理如圖1所示。調(diào)節(jié)電流方向，使線圈產(chǎn)生的磁力線與永久磁鐵產(chǎn)生的磁力線方向相同。當(dāng)被測(cè)鋼板沒(méi)有缺陷的時(shí)候，磁力線大部分從鋼板內(nèi)通過(guò)，沒(méi)有產(chǎn)生漏磁場(chǎng)；當(dāng)被測(cè)鋼板上有缺陷的時(shí)候，磁力線經(jīng)過(guò)缺陷時(shí)，磁力線發(fā)生彎曲，會(huì)有一部分漏出表面［4］，這時(shí)通過(guò)在被測(cè)鋼板上方添加磁敏傳感器霍爾元件，采集到漏出表面的磁力線并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)反饋到計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上通過(guò)采集軟件呈現(xiàn)出帶有漏磁信號(hào)的帶狀圖和波形圖［5］。

圖1 復(fù)合勵(lì)磁漏磁檢測(cè)原理圖

2 復(fù)合勵(lì)磁漏磁檢測(cè)ANSYS仿真分析

筆者應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)復(fù)合勵(lì)磁磁化結(jié)構(gòu)、被測(cè)試件及周圍空氣進(jìn)行建模，其中被測(cè)試件為帶缺陷的平板試件，根據(jù)復(fù)合勵(lì)磁漏磁檢測(cè)特點(diǎn)，對(duì)磁化結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一些改進(jìn)，把極靴的高度加長(zhǎng)，這樣解決了纏繞線圈和傳感器盒的高度和超過(guò)原有的極靴高度等問(wèn)題。對(duì)設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行3D仿真分析，以板厚為10mm平板試件為例，具體步驟如下：

（1）有限元模型的建立及單元類型的選擇

建模采用實(shí)體建模方式建立復(fù)合勵(lì)磁漏磁檢測(cè)有限元模型，其主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了應(yīng)用RACE命令建立跑道型線圈，選擇8節(jié)點(diǎn)的Solid96單元作為ANSYS分析的單元類型。

圖2 復(fù)合勵(lì)磁漏磁檢測(cè)有限元模型

（2）賦予材料屬性、劃分網(wǎng)格

每種材料都有其特定的特性，材料特性可以是線性的也可以是非線性的。線性材料通過(guò)相對(duì)磁導(dǎo)率MURX、MURY、MURZ來(lái)定義，非線性材料則是通過(guò)B－H 曲線來(lái)描述其導(dǎo)磁特性。其中：空氣相對(duì)磁導(dǎo)率為1.0；銜鐵、極靴和被測(cè)容器三者都為非線性材料，需要設(shè)置相應(yīng)的B－H 曲線；永磁鐵作為整體結(jié)構(gòu)的勵(lì)磁源，需要根據(jù)其勵(lì)磁方向定義其矯頑力方向和大??；線圈采用RACE命令建立非實(shí)體模型，根據(jù)勵(lì)磁方向定義電流。

采用映射網(wǎng)格劃分把模型劃分成規(guī)則的六面體若干份，可有效控制模型中各部分的網(wǎng)格精度，保證較高的計(jì)算精度［6］。

模型的網(wǎng)格劃分如圖3所示，其中線圈為RACE激勵(lì)載荷，不用劃分；磁化結(jié)構(gòu)周圍空氣設(shè)置為透明，以便于觀察模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖3 復(fù)合勵(lì)磁磁化結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分圖

（3）加載激勵(lì)載荷與邊界條件

模型中載荷是兩塊永磁鐵和直流永磁線圈，永磁模型部分無(wú)需再進(jìn)行加載；電磁模型部分建立RACE跑道型線圈加載；采用的棱邊單元法的邊界條件只需設(shè)置磁力線平行于整體模型表面即可，磁力線垂直邊界條件自然滿足。

（4）求解計(jì)算和后處理

圖4 整體結(jié)構(gòu)和去除空氣層（缺陷處）的復(fù)合勵(lì)磁磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

由于模型為單連通鐵區(qū)，所以采用DSP法對(duì)模型進(jìn)行求解計(jì)算。通過(guò)軟件的計(jì)算求解，得出復(fù)合勵(lì)磁磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖。圖4為復(fù)合勵(lì)磁整體結(jié)構(gòu)磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖和去除空氣層（缺陷處）的復(fù)合勵(lì)磁磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖。在ANSYS軟件的后處理中能以不同形式得到平板缺陷處漏磁場(chǎng)分布。提取鋼板表面1mm高度的漏磁場(chǎng)分布，可以得到該高度上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度H。

3 漏磁信號(hào)影響因素分析

在進(jìn)行模擬的過(guò)程中，采用10mm的Q235材質(zhì)鋼板作為研究對(duì)象，應(yīng)用控制變量法改變單一變量，從而得到一系列關(guān)于缺陷深度和寬度方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度B。下面為改變?nèi)毕莩叽绲臄?shù)據(jù)分析。

（1）缺陷深度對(duì)復(fù)合勵(lì)磁漏磁檢測(cè)信號(hào)的影響

為分析缺陷深度對(duì)復(fù)合勵(lì)磁漏磁檢測(cè)信號(hào)的影響，建立板厚為8mm的平板復(fù)合勵(lì)磁漏磁檢測(cè)模型，分別建立缺陷直徑為4mm，缺陷深度為壁厚的20%，40%，60%，80%的圓柱形缺陷，提取路徑上的磁場(chǎng)參量，得到相同直徑、不同深度缺陷上方1mm處的漏磁場(chǎng)水平分量Bx與垂直分量By的分布曲線，如圖5所示。

（2）安匝數(shù)對(duì)復(fù)合勵(lì)磁漏磁檢測(cè)信號(hào)的影響

建立深度為3.2mm，直徑為4mm的圓柱形缺陷，改變安匝數(shù)為6 000，8 000，10 000，12 000A來(lái)分析安匝數(shù)對(duì)漏磁信號(hào)的影響。同樣提取缺陷上方距離平板頂部1mm處的漏磁場(chǎng)水平分量Bx與垂直分量By的分布曲線，如圖6所示。

（3）漏磁場(chǎng)峰－峰值隨缺陷深度的變化

圖7為安匝數(shù)10 000A，缺陷直徑2mm，深度從20%～80%變化的漏磁場(chǎng)信號(hào)峰－峰值隨缺陷深度的變化曲線。從圖中可以看出，隨著缺陷深度的增加，Bx，By峰值增量基本相同。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)應(yīng)用ANSYS有限元軟件進(jìn)行仿真分析，建立了復(fù)合勵(lì)磁勵(lì)磁結(jié)構(gòu)模型，為后期制作復(fù)合勵(lì)磁漏磁檢測(cè)儀的研制提供理論支撐。

（2）平板腐蝕缺陷深度對(duì)復(fù)合勵(lì)磁漏磁信號(hào)有影響，在一定范圍內(nèi)，其他變量為定值時(shí)，缺陷深度增加時(shí)，漏磁場(chǎng)信號(hào)增強(qiáng)，且近似成線性關(guān)系。

（3）安匝數(shù)的改變會(huì)影響復(fù)合勵(lì)磁漏磁信號(hào)，在其他條件均不變的前提下，增大安匝數(shù)，漏磁場(chǎng)信號(hào)增強(qiáng)。

圖5 不同深度缺陷處的漏磁場(chǎng)

圖6 不同安匝數(shù)下缺陷的漏磁場(chǎng)

圖7 寬度，深度方向漏磁信號(hào)峰－峰值隨缺陷深度變化圖

［1］ 戴光，李偉，張穎.過(guò)程裝備安全管理與檢測(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：241－247.

［2］ 王朝華，鄧瑞.漏磁檢測(cè)中的磁化技術(shù)［J］.甘肅科技，2007，23（2）：109.

［3］ 朱孝勇，程明，趙文祥，等.混合勵(lì)磁電機(jī)技術(shù)綜述與發(fā)展展望［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，23（1）：30－32.

［4］ 李海光，劉時(shí)風(fēng)，沈功田.壓力容器無(wú)損檢測(cè)—漏磁檢測(cè)技術(shù)［J］.無(wú)損檢測(cè)，2004，26（12）：638－639.

［5］ 劉志平.大面積鋼板局部磁化的三維有限元分析［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，31（8）：10－12.

［6］ 唐興倫，范群波，張朝暉，等.ANSYS工程應(yīng)用教程［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2003：144－150.