电磁超声无损检测技术的ANSYS仿真研究

　　0　引　　言

　　管道作为能源运输的主要方式,其安全性是相当重要的。油气管道无损检测技术就是预测隐患、为安全评价提供基础资料的一种重要手段。管道无损检测技术的原理有很多种,目前应用较多的是超声法、漏磁法和涡流法。新兴的电磁超声技术作为一种激发原理特殊的超声,因其不需要耦合介质,易于选定所激发的超声模式等优点,正引起无损检测领域越来越高的重视[1]。

　　电磁超声虽然具有众多优点,但由于其转换效率低,衰减严重,受噪声污染大,检测结果常常不理想。因此,利用有限元分析软件,建立EMAT的二维模型,通过仿真比较了缺陷对被测物体表面磁流密度、磁感应强度和涡流等情况的影响,提出了设计EMAT检测装置和进行检测数据分析时值得注意的方面,对指导EMAT无损检测的研究具有重要的意义。

　　1　电磁超声检测技术的理论依据

　　在被测物体表面设置一曲折线圈,某一时刻,通过往线圈中加载一高压窄脉冲或时谐电流源激励产生一个交变的电磁场H,会在被测物体内部产生感应电流,即涡流I。如果同时施加一由永磁体产生的稳定磁场B,就会与金属内部涡流相互作用,产生洛伦兹力。被测物体的质点在此力的作用下产生机械振动,从而产生沿被测件辐射或沿表面传播的超声波。这就是电磁超声激发的基本原理[2]。电磁超声的接收是激发的逆过程。当被测物体表面有超声自内部投射时,质点发生位移,带正电荷的晶格在偏置磁场的作用下受力,产生交变电流。这个交变电流将导致被测导体的表层出现交变的磁场,这个交变磁场漏出导电体,在被测导体上方的线圈中感生出电动势。这样,就可以进行检测了。在电磁超声无损检测中,被测物体作为电磁超声传感器的一部分,必须是电导体或磁导体。若被测物体是铁磁性材料,除洛仑兹力外,还受到磁致伸缩力的作用[3]。

　　2　仿真方法

　　有限元分析是将物体划分成有限个单元,单元看作是不可变形的刚体,通过有限个节点相互连接,单元之间的力通过节点传递,然后利用能量原理建立各单元矩阵,在输入材料特性、载荷和约束等边界条件后,利用计算机进行物体特性计算和分析。ANSYS软件是目前最常用的有限元分析软件之一,融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体[4]。软件主要包括3个模块:前处理模块,求解模块和后处理模块。

　　2.1　前处理

　　根据电磁超声无损检测装置的结构和工作特点,取单元类型为空气、线圈和被测导体,定义材料属性。设被测导体的相对磁导率μr= 500,电阻率ρ= 9.17×10-8Ω·m,线圈的相对磁导率μr= 1,电阻率ρ= 1.68×10-8Ω·m。