提高钢管磁化系统检测速度的有限元分析

　　无损检测界一直重视承压钢管高速检测技术的研究^[1]。20世纪80年代国际标准化组织(ISO)制订了铁磁性压力钢管横向缺陷及纵向缺陷探伤标准。但是,随着生产力的发展,此探伤标准已无法满足生产要求。例如,钢管生产企业要求钢管生产线通过速度达到数十米以上,但ISO标准规定的钢管检测系统的检测速度远低于这个速度。为此笔者用ANSYS软件对基于二维漏磁检测技术的钢管磁化系统进行有限元分析,建立磁场模型,通过仿真试验比较磁化方案,提出改进措施,得出最佳钢管检测磁化系统,以解决钢管生产与检测速度之间的矛盾。

　　1　ANSYS在磁场分析中的应用

　　ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学和力学分析于一体的大型通用有限元软件。在低频电磁场分析中,ANSYS不但能对线性和非线性静态磁场的电磁力、二维或三维磁场分布等进行分析计算,还能够对交流电磁场的磁场强度分布和漏磁通分布等进行有限元分析,可以把分析结果用曲线、彩色图形和表格等形式表示出来。

　　1.1　选择坐标系并建立模型

　　ANSYS提供的坐标系有总体坐标系、局部坐标系和节点坐标系等。总体坐标系可分为笛卡儿坐标系、柱坐标系和球坐标系。系统默认的坐标系是笛卡儿坐标系,使用的是国际单位制。

　　静态磁场有三种建模方法,①实体建模方法,此方法最常用,在所建的实体模型上可以进行自适应网格划分。②直接建模,此方法繁琐,极少采用。③直接输入CAD模型。

　　下面采用笛卡儿坐标系下的实体建模方法,得到节点和单元。

　　1.2　定义材料属性

　　所建模型主要采用四种材料,①空气,设其相对磁导率为1.0。②管道钢材,其牌号有Q235,X52,X60和X70等,试验选择较为常见的X52钢。根据定义的被检钢质特性表,在输入B-H曲线的各个插值点后,如果符合系统要求,ANSYS可以作出B-H曲线图。③轭铁,设为线性材料,其相对磁导率62 000,参考铁镍合金1J79。④磁铁,永磁体设为线性材料,参考材料是RECOMA20(瑞士BBC)。

　　1.3　划分网格、加边界条件和载荷

　　模型使用的是自适应网格化(Smart Mesh),网格化单位为1。边界条件主要有边界与磁力线垂直、边界与磁力线平行、边界是远场单元和边界上有外加磁场。在使用INFIN110远场单元为开放单元建模时,需用到无限表面标志,以标明哪个单元边朝向开放区域(无限区域)。

　　1.4　求解及查看结果

　　在网格化完成以后,定义求解类型是动态还是静态,选用求解器就可以对模型进行求解并查看求解结果,如磁通密度、磁场强度和磁力线分布等,还可沿某一路径查看有关数据,如磁场强度或矢量的某一分量数值^[2,3]。