電磁超聲無損檢測技術的ANSYS仿真研究

2013-06-05  by:廣州有限元分析、培訓中心-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進行了研究,通過仿真,比較了電磁超聲檢測過程中缺陷對被測導體表面磁流密度、磁感應強度和渦流等的影響,并介紹了ANSYS軟件進行瞬態(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
管道作為能源運輸?shù)闹饕绞?其安全性是相當重要的。油氣管道無損檢測技術就是預測隱患、為安全評價提供基礎資料的一種重要手段。管道無損檢測技術的原理有很多種,目前應用較多的是超聲法、漏磁法和渦流法。新興的電磁超聲技術作為一種激發(fā)原理特殊的超聲,因其不需要耦合介質,易于選定所激發(fā)的超聲模式等優(yōu)點,正引起無損檢測領域越來越高的重視。
電磁超聲雖然具有眾多優(yōu)點,但由于其轉換效率低,衰減嚴重,受噪聲污染大,檢測結果常常不理想。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、磁感應強度和渦流等情況的影響,提出了設計EMAT檢測裝置和進行檢測數(shù)據(jù)分析時值得注意的方面,對指導EMAT無損檢測的研究具有重要的意義。
1 電磁超聲檢測技術的理論依據(jù)
在被測物體表面設置一曲折線圈,某一時刻,通過往線圈中加載一高壓窄脈沖或時諧電流源激勵產(chǎn)生一個交變的電磁場H,會在被測物體內部產(chǎn)生感應電流,即渦流I。如果同時施加一由永磁體產(chǎn)生的穩(wěn)定磁場,就會與金屬內部渦流相互作用,產(chǎn)生洛倫茲力。被測物體的質點在此力的作用下產(chǎn)生機械振動,從而產(chǎn)生沿被測件輻射或沿表面?zhèn)鞑サ某暡ā＿@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。當被測物體表面有超聲自內部投射時,質點發(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。這個交變電流將導致被測導體的表層出現(xiàn)交變的磁場,這個交變磁場漏出導電體,在被測導體上方的線圈中感生出電動勢。這樣,就可以進行檢測了。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,必須是電導體或磁導體。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單元,單元看作是不可變形的剛體,通過有限個節(jié)點相互連接,單元之間的力通過節(jié)點傳遞,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,利用計算機進行物體特性計算和分析。ANSYS軟件是目前最常用的有限元分析軟件之一,融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體。軟件主要包括3個模塊: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構和工作特點,取單元類型為空氣、線圈和被測導體,定義材料屬性。設被測導體的相對磁導率μ_r=500,電阻率ρ=9.17×10^-8Ω·m,線圈的相對磁導率μ_r=1,電阻率ρ=1.68×10^-8Ω·m?？紤]到模型具有對稱性,且假設線圈導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行有限元分析。設被測物體為半無限大導體,在其上方放置曲折線圈,線圈由一根導線來回沿直角彎曲成一組6條平行線,相鄰導線間距b=1mm,提離距離h=0.5 mm,導線橫截面為正方形,邊長a=0.2mm,相鄰兩導線電流方向相反。導體處在磁感應強度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,在導線3下方設置了一個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,確定單元關系,并進行智能網(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,為被測導體設置邊界條件,并規(guī)定各項力標志。根據(jù)電磁超聲的激發(fā)機理,采用時變電流對線圈施加激勵。設激勵電流的形式為i(t)=sin²(π×10⁵t)cos²(π×10⁶t),取分析時間為10μs,此時激勵電流可視為衰減到0,時間步長設為0.2μs,信號波形如圖2所示。根據(jù)所加激勵的類型,耦合線圈自由度,進行瞬態(tài)磁場分析。

圖2 激勵電流信號波形

2.3后處理
求解結束后,可選擇相應時間步,獲得分析過程中相關的等值線圖,云圖和矢量圖等。可通過選擇節(jié)點,讀取其在分析過程中某一參數(shù)隨時間或頻率連續(xù)變換的情況。還可以以麥克斯韋方程組為出發(fā)點,求解磁通、力和能量等參數(shù)。
3 仿真實驗結果
當線圈受時諧電流源激勵時,會產(chǎn)生一個交變的電磁場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。可見當不存在缺陷時,各條導線下方的磁流密度大致相等,當存在缺陷時,缺陷兩側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 被測導體表面不存在缺陷時交變磁場的磁流密度

圖4 被測導體表面存在缺陷時交變磁場的磁流密度

導線下方感應出的動態(tài)磁場的磁感應強度如圖5和圖6所示。當不存在缺陷時,各條導線下方的磁感應強度曲線類似,只是幅值稍有不同。當存在缺陷時,選取的是導線3下方缺陷最深處正中央的節(jié)點,和導線4下方節(jié)點的磁感應強度進行比較。顯然缺陷處磁感應強度要小的多,交變的磁場會在導體表面感應出電渦流,導體的電渦流受多種參數(shù)的共同影響,材料的電導率、磁導率、激勵的頻率、相鄰導線的間距以及線圈與導體之間的提離距離等都影響其分布。2種情況下被測導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強度也是成正比的,這說明渦流受到趨膚效應的影響,在被測導體中隨深度衰減嚴重,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檢測裝置的設計或是檢測數(shù)據(jù)的分析中,都應充分考慮到渦流的趨膚效應,通過改變線圈的物理特性或提高換能器的轉換效率來克服由趨膚效應引起的影響。

圖5 沒有缺陷時線圈下方磁感應強度

圖6 存在缺陷時線圈下方磁感應強度

圖7 沒有缺陷時導體表面兩點電渦流

圖8 存在缺陷時導體表面兩點電渦流

4 結論
電磁超聲無損檢測技術用電磁感應渦流原理激發(fā)超聲波,具有換能器與被測體表面非接觸、無需耦合劑、重復性好、檢測速度高等優(yōu)點。通過有限元分析軟件ANSYS對EMAT進行仿真,直觀地分析了缺陷對被測物體表面磁感應強度和渦流等的影響,為利用EMAT無損檢測技術進行缺陷檢測奠定了基礎。

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