漏磁无损检测传感器提离值与缺陷漏磁场关系的仿真研究毕业论文.doc

漏磁无损检测传感器提离值与缺陷漏磁场关系的仿真研究摘要 本文主要是传感器提离值与缺陷漏磁场的仿真研究，介绍了漏磁检测技术的原理及其应用，给出了漏磁信号与缺陷特征所形成的线性关系，并通过ANSYS分析研究了提离值对漏磁信号的影响。 管道漏磁检测中，管道中的焊缝和管道异物等会引起传感器提离值和漏磁检测工具磁化器提离值，并且对获得的漏磁数据有潜在影响。利用有限元仿真软件模拟各种提离值对漏磁信号的影响。仿真结果表明传感器提离值引起漏磁信号峰值的降低，传感器提离值对漏磁信号峰值的影响远大于相同大小的磁化器提离值的影响，传感器和磁化器同时引起的提离值引起漏磁信号峰值的最大降低。正确理解提离值对漏磁信号的影响，将改善漏磁检测的质量，并获得对缺陷完整的评价。 本设计的目的是为了提高油气管道漏磁检测的准确度，需要在确保检测灵敏度的同时，减小传感器与被测油气管道表面的距离即提离值的波动影响。分析了提离值选择的主要原则，采用ANSYS得到两者之间的关系。关键词：漏磁检测；提离值；漏磁；缺陷第1章 绪论1.1课题的来源及意义 漏磁检测的方法通常与涡流-微波-金属磁记忆一起别列为电磁无损检测方法。该方法主要应用于诸如输油气管-储油罐底板-钢丝绳-钢板-钢管-钢棒-链条-钢结构件-焊缝-埋地管道等铁磁性材料表面和近表面的腐蚀-裂纹-气孔-凹坑-夹杂等缺陷的检测，也可用于铁磁性材料的测厚。漏磁无损检测技术在钢铁-石油-石化等领域应用较广泛.我国各工业领域对漏磁检测技术尚处于了解-认识-引用的初级阶段，在工业上实用探伤设备的开发制造还刚刚起步，而随着质量控制技术的发展与进步我国对于漏磁探伤设备的市场需求将越来越大。因此，缩小同国外先进的无损检测设备制造水平的差距是当前我国无损检测业界同仁的重要且紧迫的任务。12 国内外的研究现状1.2.1 国内的研究现状 我国从90年代初对漏磁检测技术进行了研究,于2002年研制出管道和钢板腐蚀漏磁检测仪,其总体技术水平落后于欧美等发达国家。近年来,在国内无损检测工作者的共同努力下,目前已有许多的高校和研究单位在这方面取得了可喜的成果,逐步缩小了与国际水平的差距。 国内研究漏磁检测技术的高校主要有清华大学、华中科技大学、上海交通大学、沈阳工业大学等。其中华中科技大学的杨叔子、康宜华、武新军等,在储罐底板漏磁检测研究和管道漏磁无损检测传感器的研制、钢丝绳的漏磁检测等方面进行了大量的实验研究工作,利用ANSYS软件分析了传感器励磁装置的参数对钢板局部磁化的影响,设计了相应的漏磁检测传感器等;清华大学的李路明、黄松龄等研究了管道的漏磁探伤,铁铸件的漏磁探伤方法,采用有限元分析法研究永磁体几何参数对管道磁化效果的影响,分析漏磁探伤中各种量之间的数值关系,如表面裂纹宽度对漏磁场Y分量影响的问题；交直流磁化问题,针对漏磁检测交流磁化的磁化电流频率选择问题,分析了磁化频率的选取原则等等；沈阳工业大学的杨理践等,研究了基于单片机控制系统的管道漏磁在线检测系统,分析了小波包在管道漏磁信号分析中的应用,通过时域分析理论对管道漏磁信号进行处理;合肥工业大学的何辅云对漏磁探伤采用多路缺陷信号的滑环传送方法并研制了在役管线漏磁无损检测设备；上海交通大学的阙沛文、金建华等对海底管道缺陷漏磁检测进行研究,通过小波分析对漏磁检测信号进行去噪实验,同时将巨磁阻传感器应用于漏磁检测系统,研制了适用于输油、输气管道专用漏磁检测传感器；中原油田钻井机械仪器研究所开发出了抽油杆井口漏磁无损检测装置；军械工程学院研制的智能漏磁裂纹检测仪,能对钢质构件的表面和内部的裂纹进行定量检测；中国科学院金属研究所的蔡桂喜对磁粉和漏磁探伤对裂伤缺陷检出能力进行了研究,用环电流模型计算了各种矩形槽形状人工及自然缺陷产生的漏磁场,提出磁粉和漏磁两种方法不适合开裂缝隙很窄的疲劳裂纹的检测的结论。爱德森公司采用多信息融合技术研制成集涡流、漏磁、磁记忆、低频电磁场于一体的便携式检测仪器,该仪器能同时获取多种检测信号,适用于流动现场的检测。1.2.2 国外的研究现状 国外对漏磁检测技术的研究很早,Zuschlug于1933年首先提出应用磁敏传感器测量漏磁场的思想,但直至1947年Hastings设计了第一套漏磁检测系统,漏磁检测才开始受到普遍的承认。20世纪50年代,西德Forster研制出产品化的漏磁探伤装置。1965年,美国Tube scope 国际公司采用漏磁检测装置Linalog首次进行了管内检测,开发了Wellcheck井口探测系统,能可靠地探测到管材内外径上的腐蚀坑、横向伤痕和其它类型的缺陷。1973年,英国天然气公司采用漏磁法对其所管辖的一条直径为600mm的天然气管道的管壁腐蚀减薄状况进行了在役检测,首次引入了定量分析方法。ICO公司的EMI漏磁探伤系统通过漏磁探伤部分来检测管体的横向和纵向缺陷,壁厚测量结合超声技术进行,提供完整的现场探伤。 对于缺陷漏磁场的计算始于1966年,Shcherbinin和Zatsepin两人采用磁偶极子模型计算表面开口的无限长裂纹,前苏联也于同年发表了第一篇定量分析缺陷漏磁场的论文,提出用磁偶极子、无限长磁偶极线和无限长磁偶带来模拟工件表面的点状陷、浅裂纹和深裂缝。之后,苏、日、美、德、英等国相继对这一领域开展研究,形成了两大学派,主要为研究磁偶极子法和有限元法两大学派。Shcherbinnin和Poshagin用磁偶极子模型计算了有限长表面开口裂纹的磁场分布。1975年,Hwang和Lord采用有限元方法对漏磁场进行分析,首次把材料内部场强和磁导率与漏磁场幅值联系起来。Atherton把管壁坑状缺陷漏磁场的计算和实验测量结果联系起来,得到了较为一致的结论。Edwards和Palaer推出了有限长开口裂纹的三维表达式,从中得出当材料的相对磁导率远大于缺陷深宽比时,漏磁场强度与缺陷深度呈近似线性关系的结论。国内研究现状我国从90年代初对漏磁检测技术进行了研究,于2002年研制出管道和钢板腐蚀漏磁检测仪,其总体技术水平落后于欧美等发达国家。近年来,在国内无损检测工作者的共同努力下,目前已有许多的高校和研究单位在这方面取得了可喜的成果,逐步缩小了与国际水平的差距。 1.3 本文的主要研究内容 本文主要是传感器提离值与缺陷漏磁场的仿真研究，介绍了漏磁检测技术的原理及其应用，ANSYS软件的操作和使用，并通过ANSYS分析研究了提离值对漏磁信号的影响，本设计的目的是为了提高油气管道漏磁检测的准确度，需要在确保检测灵敏度的同时，减小传感器与被测油气管道表面的距离即提离值的波动影响。分析了提离值选择的主要原则，通过仿真计算验证了这种方法的效果。第2章 漏磁无损检测2.1漏磁无损检测概述 无损检测技术是一门新兴的综合性应用学科，它是在不破坏或不损坏被检测对象的前提下，利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化，来探测各种工程材料、零部件、结构件等内部和表面缺陷，并对缺陷的，类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化作出判断和评价。目前，常用的无损探伤方法有液体渗透检测、磁粉检测与漏磁检测、声发射检测、射线探伤等。近年来，无损检测技术的发展速度很快，一些无损检测新技术如磁记忆无损检测、红外热波无损检测、超声相控阵技术、激光无损检测、微波无损检测等也得到了应用。 漏磁检测方法通常与涡流、微波、金属磁记忆一起被列为电磁（EM Electromagnetic)无损检测方法。该方法主要应用于诸如输油气管、储油罐底板、钢丝绳、钢板、钢管、钢棒、链条、钢结构件、焊缝、埋地管道等铁磁性材料表面和近表面的腐蚀、裂纹、气孔、凹坑、夹杂等缺陷的检测 ,也可用于铁磁性材料的测厚。漏磁无损检测技术在钢铁、石油、石化等领域应用较广泛。我国各工业领域对漏磁检测技术尚处于了解、认识、引用的初级阶段 ,在工业上实用探伤设备的开发制造还刚刚起步 ,而随着质量控制技术的发展与进步我国对于漏磁探伤设备的市场需求将越来越大。因此 ,缩小同国外先进的无损检测设备制造水平的差距是当前我国无损检测业界同仁的重要且紧迫的任务。 随着现代科学技术的发展 ,尤其是计算机技术的发展 ,仪器的体积越来越小、处理速度越来越快、功能越来越强大。漏磁检测理论研究及探伤系统的传感器性能、数据处理等方面也都有很大的进步。下面就漏磁场的理论计算、各种因素和缺陷漏磁场之间的关系、漏磁检测的磁化方法、采用的传感器种类、检测方式和信号处理技术分别作简要的归纳。随着现代各领域技术的相互交叉融入 ,各种技术相互促进发展 ,漏磁检测技术的应用研究也必将朝着更趋于成熟、完善的方向发展。其发展趋势有以下几个方面 : （1）更高的处理速度 （2）高性能传感器及智能传感器 （3）传器的智能化、小型化 （4）专家系统的融入 （5）多信息融合技术 （6）高可靠性和稳定性 （7）界面更为友好直观 （8）操作更为简易、快捷 （9）在线、离线检测的机电一体化 （10）网络技术的融入 （11）在役设备检测信息管理跟踪分析的研究2.2漏磁检测的原理 漏磁 (magnetic flux leakage ,简称MFL)无损检测技术由于检测速度快、可靠性高且对工件表面清洁度要求高等特点在金属材料的检测和相关产品的评估中得到广泛应用。与磁粉探伤不同 ,漏磁检测中信号不用磁粉显示 ,对环境无污染 ；由于采用各种敏感元件 (如霍尔元件和线圈方式 ) ,检测结果直接以电信号输出 ,容易与计算机连接实现数字处理 ,因此其检测结果可存储和再现 ,便于检测信号的分析及检测结果的历史趋势分析。一般来说，漏磁信号的大小取决于四个因素，即：、监测仪器本身性能，包括传感器及配套系统、预处理电路和信号分析系统。、实际缺陷的几何形状和特性。、仪器检测速度和被测部件运行状况（如是否受力等）。、被检部件的磁性。 目前对漏磁信号处理的方法主要有时域的波形分析法（包括信号峰峰值和短程能量等）、频域分析方法、小波分析和神经网络等，这些方法更多的是针对特定工况的特定信息，采用检测信号与标准缺陷信号比较来进行缺陷分析，很少考虑到检测过程中不同因素对信号分析结果的影响，对缺陷类型、几何形状和部件工况等缺乏定量描述。 当用磁化器磁化被测铁磁材料时，若材料的材质是连续-均匀的，则材料中的磁感应线将被约束在材料中，磁通是平行于材料表面的，几乎没有磁感应线从表面穿出，被检表面没有磁场。但当材料中存在着切割磁力线的缺陷时，材料表面的缺陷或组织状，态变化会使磁导率发生变化，由于缺陷的磁导率很小，磁阻很大，使磁路中的磁通发生畸变，磁感应线会改变途径，除了一部分磁通直接通过缺陷或在材料内部绕过缺陷外，还有部分的磁通会离开材料表面，通过空气绕过缺陷再重新进入材料，在材料表面缺陷处形成漏磁场。如果采用磁粉检测漏磁通的方法称为磁粉检测法，而采用磁敏传感器检测则称为漏磁检测法。 漏磁检测的原理如图21所示。当铁磁性材料被外加磁铁磁化后，在板材内可产生强的感应磁场，若板材上存在腐蚀缺陷，则会在其相应的表面形成漏磁场，如在磁极之间放置一个磁场探头（通常采用霍尔元件或线圈），则可探测到该漏磁场，由于漏磁场的强度与腐蚀缺陷的深度和大小有关，因此可以通过对漏磁场信号的分析来获得板材上产生腐蚀缺陷的情况。图21漏磁检测基本原理示意图 采用漏磁探伤的过程是首先对被检铁磁性材料进行磁化,然后测量其漏磁场信号，通过分析判断给出检测结果,最后根据实际情况选择退磁与否。漏磁检测只限于检测铁磁性材料，主要是铁磁性材料的表面及近表面的检测。该方法具有探头结构简单-易于实现自动化-无污染-检测灵敏度高-不需要耦合剂-检测时一般不需要对表面进行清洗处理-可以实现缺陷的初步量化等特点。2.2.1影响漏磁检测灵敏度的因素1.磁化场 磁化场的强弱对缺陷漏磁场影响很大。由于磁化场决定了工件磁化强度，从而影响到漏磁场的大小。当磁化强度较低时，漏磁场偏小，且增加缓慢；当此话感应强度达到包和值的80%左右时，漏磁场不仅幅度较大，而且随着磁化场的增加会迅速增大。2.缺陷方向、位置、深度和尺寸的影响 缺陷的方向对漏磁检测的精度影响很大，当缺陷主频面与磁化场方向垂直时，产生的漏磁场最强。缺陷在容器壁中的位置对漏磁场的影响通常认为是：同样的缺陷位于表面时漏磁场最大，且随着埋藏深度增大而逐渐减小，当埋藏深度足够大时，漏磁场将趋于零。缺陷的大小对漏磁场影响很大，当宽度相同，深度不同时，漏磁场随着缺陷深度的增加而增大，再一定范围内两者近似成直线关系。缺陷宽度对漏磁场的影响并非单调变化，在缺陷宽度很小时，随宽度的增大漏磁场有增加的趋势，但宽度较大时，宽度增大，漏磁场反而缓慢下降。3.检测速度的影响再检测过程中应尽量保持匀速进行，速度不同会造成漏磁信号形状上的不同。4.容器焊缝表面粗糙度的影响 表面粗糙度的不同使传感器与被测表面的提离值发生动态变化，从而影响了检测灵敏度的一致性。5.氧化皮及铁锈的影响 表面的氧化皮、铁锈等杂物，可能在检测过程中产生伪信号，在检测过程中应及时确认或修复。2.2.2各种因素和缺陷漏磁场之间的关系1. 磁化强度对漏磁场的影响 缺陷漏磁场的峰峰值起初随着磁化磁场强度的增大而增大,增大到一定值时,趋于平缓。当铁磁材料进入磁饱和状态时,外界磁化磁场强度的增大对裂纹磁场强度的贡献不大。磁路的设计应尽可能使被测材料达到近饱和磁化状态。2. 裂纹深度对漏磁场的影响 裂纹宽度固定的条件下,在一定范围内,磁感应强度与缺陷深度近似成线性关系。狭缝越深,漏磁场越强,直至达到漏磁场对狭缝深度的进一步增大不敏感的深度为止。3. 裂纹宽度对漏磁场的影响对于相同深度的缺陷,在相同的磁化条件下,随着宽度的增加,漏磁场强度首先增加,然后减小。4. 提离值对漏磁场的影响 当提离值超过裂纹宽度两倍时,随着提离高度的增加,漏磁场强度迅速下降。传感器支架的设计必须使探头在被检测表面扫查时提离值保持恒定,一般要小于2mm。5. 裂纹埋藏深度对漏磁场的影响 近表面裂纹比表面裂纹产生的漏磁场弱,对于相同形状大小的缺陷,埋藏深度与漏磁场幅值近似成线性关系。 在这里，我们主要研究的是提离值对漏磁场的影响。2.3漏磁检测的优点漏磁检测有以下优点：（1）易于实现自动化，漏磁检测方法是由传感器获取信号，然后由软件判断有无缺陷 ,因此非常适合于组成自动检测系统。实际工业生产中 ，漏磁检测被大量应用于钢坯、钢棒、钢管的自动化检测。 （2）较高的检测可靠性，漏磁检测一般采用计算机自动进行缺陷的判断和报警，减少了人为因素的影响。（3）可实现缺陷的初步定量 ，缺陷的漏磁信号与缺陷形状尺寸具有一定的对应关系 ,从而可实现对缺陷的初步量化 ，这个量化不仅可实现缺陷的有无判断 ，还可对缺陷的危害程度进行初步评价。（4）高效能、无污染 ，采用传感器获取信号 ，检测速度快且无任何污染。漏磁检测的缺点除了跟磁粉检测相似外，还由于检测传感器不可能象磁粉一样紧贴被检测表面，不可避免地存在一定的提离值，从而降低了检测灵敏度；另一方面 ，由于采用传感器检测漏磁场，不适合检测形状复杂的试件。2.4漏磁无损检测采用传感器的种类及检测方法 漏磁检测采用的传感器种类有线圈、霍尔器件、磁敏二极管、磁敏电阻、磁通门、巨磁阻传感器等。目前比较常用的传感器元件为线圈和霍尔器件。因为线圈缠绕的匝数、几何形状和尺寸较为灵活,根据测量目的的不同,线圈可以做成多种形式。线圈的匝数和相对运动速度、截面积决定测量的灵敏度。而霍尔元件的优点是较宽的响应频带、制造工艺成熟、温度特性和稳定性较好等。漏磁检测主要采用的方式有：1.单传感器检测2.传感器阵列检测3.聚磁技术4.磁屏蔽技术2.5 漏磁检测标准现状 漏磁检测再自动方面优势明显。国际上已经制订了ISO 9598无缝和焊接铁磁性压力钢管横向缺陷的全圆周传感器和漏磁探伤和ISO 9402无缝和焊接铁磁性压力钢管纵缺陷的全圆周传感器和漏磁探伤两项标准，即EN 10246/4：1999无缝铁磁性钢管的自动全圆周磁传感器和漏磁检测，用以检测纵向缺陷;EN 10246/5:1999无缝和焊接（埋弧焊除外）铁磁性钢管的自动全圆周磁传感器和漏磁检测，用以检测纵向缺陷。美国方面有ASTM E570-1997铁磁性钢管制品漏磁检验实施方法和API对铁磁性材料检验的一些要求。 1991年5月我国指定了第一部漏磁检测标准钢GB/T 12606-1990钢管及圆钢棒的漏磁探伤方法，规定了铁磁性钢管、圆钢棒表面缺陷的漏磁探伤方法。在1998年又进行了标准修订。但再压力容器检测方面，国内外都还没有标准提出来采用漏磁检测方法。第3章 ANSYS有限元分析3.1 ANSYS的产生 自上个世纪后半页以来，人类科技便已不可阻挡之势迅猛向前发展。而其中最具有代表性的当属计算机科学的进步。对于工程界的广大人事而言，这不可不谓是一种福音。在工程实用的诸多领域里，为寻求可靠的、最优的工艺和技术方案，以往凭借和依赖的直觉、经验、试验和“尝试法”随着工艺设计要求的日益严格，最求质量所引发竞争的口臻激烈，已开始显得力不从心。倘若利用计算机这一先进手段，并辅以相应软件，进行虚拟加工，则可提高产品加工质量，省时省力，降低成本。ANSYS正是再这样一种大前提下，应运而生的。3.2 ANSYS简介 ANSYS软件式世界上著名的大型通用有限元计软件，具有强大求解和前、后处理功能，为我们解决复杂、庞大的工程项目和致力于高水平的科研攻关提供了一个两地工作环境，更使我们从繁杂、单调的常规有限元编程中解脱出来。 在求解电机磁场问题时，常用的数值计算方法有差分法、边界元法和有限元法三种，目前广泛采用的是有限元法。作为一种多功能有限元分析软件，ANSYS已广泛应用于许多工程领域。 美国ANSYS公司成立于1970年，由John Swanson博士创立的。总部位于美国宾夕法尼亚州的匹兹堡。ANSYS程序是该公司开发的主要产品，ANSYS大型通用有限元分析软件融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体，交互式操作菜单环境，极大地简化了分析过程的操作性，使设计分析更加直观和可视化，不仅提供了求解器，同时提供了前后处理器，对模型的创建和结果的处理更加方便。 ANSYS软件是融热、电磁、流体、声学于一体的大型通用有限元分析软件。采用ANSYS有限元分析软件中相关电磁计算方法,可以对被检测的构件和漏磁检测方法,建立漏磁检测的有限元分析模型,从计算结果中分析研究检测的机理,为检测传感器的设计和结果分析提供理论指导。通过ANSYS软件可以模拟各种缺陷试验,分析过程可以分为三个阶段。第一,前处理阶段,此阶段先建立实体模型、定义出材料一些相关参数(有限单元的划分,有限单元的输入和输出结果参数)；第二,求解阶段,施加载荷,通过求解器求解；最后为处理阶段,查看模拟算的结果,根据它的输出结果,可以产生试验模型的磁力线图、矢量磁位、磁感应强度、磁场强度的等值图、矢量图等。计算时间的多少和模拟的近似程度,主要取决于模型的维数、单元的多少。在目前最快的台式PC机上,漏磁检测模型的二维有限元计算已经能较快地给出结果。根据管道内漏磁检测器的工作状态，忽略次要因素的影响，可以为其建立二维或三维的有限元分析模型，进行静态磁场分析计算。选择ANSYS分析模型时应充分考虑到其对称性，具有对称性的模型可只为一部分建模，从而大大减少模型的大小，提高运算速度。进行二维有限元分析是在假设存在的缺陷为环状缺陷的前提下进行的，通过二维分析可以掌握管壁缺陷漏磁信号的一些规律，但是，管壁上的大多数缺陷是点状或面状的，当缺陷的长度和深度相同时，不同宽度的缺陷产生的漏磁信号时有差别的，为了研究缺陷的宽度对漏磁信号的影响需要建立三维有限元模型。 三维有限元模型是一个复杂的过程，但由于研究重点为缺陷附近的漏磁情况，因此并非一定要建立有限元的全模型，可以根据要分析的缺陷的大小选择半模型、四分之一模型或八分之一模型（八分之一模型实际仿真存在八个缺陷的管道）缺陷漏磁场的范围为缺陷表面积的2-5倍，选择三维模型应以要分析缺陷的实际情况而定，以两个缺陷漏磁场互不影响为原则。经过三维有限元分析，漏磁信号更接近于实际侧的信号。 ANSYS的分析功能包括结构分析、非线性分析、热分析、电磁场分析、电场法分析、流体流动分析、耦合磁场分析。在本论文中我们主要应用的是ANSYS的电磁场分析功能。 ANSYS将模型信息(单元、节点、材料等)、边界信息（载荷、约束等）以及后处理信息（求解结果等）集成在一个数据库中，这些功能增强了程序的电磁分析能力和灵活性。 ANSYS软件主要包括三部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、压力分析，可以模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可以将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流显示、立体切片显示等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种材料和结构。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。目前版本为ANSYS5.4版，其微机版本要求的操作系统为Windows 95或Windows NT,也可运行于UNIX系统下。微机版的基本硬件要求为：显示分辨率为1024768，显示内存为2M以上，硬盘大于350M，推荐使用17英寸显示器。3.3 ANSYS软件特点该软件具有以下三方面的特点。（1）强大而广泛的分析功能：可以广泛应用于结构、热、流体、电磁、声学等多物理场及多场耦合的线性和非线性问题的分析。（2）一体化的处理技术：主要包括几何建模、自动网格划分、求解、后处理、优化设计等多种功能及实现工具。（3）丰富的产品系列和完善的开放体系：不同的产品配套可应用于各种工业领域，如航空、航天、船舶、汽车、兵器、铁道、机械、电子、核工业、能源、建筑、医疗等。ANSYS具体分析步骤：（1）创建有限元模型，包括： 创建或读入几何模型 网格划分 定义材料属性（2）施加载荷并求解。施加载荷及载荷选项、设定约束条件，然后求解。（3）后处理。计算或查看结果，然后检验结果。3.4 ANSYS软件的具体应用3.4.1 前处理器1.创建实体模型 实际模型的建立要根据漏磁检测装置测量部分的实际形状，管道模型具有明显的轴对称特征，可只为一部分建模，再ANSYS的二维轴对称分析中，Y轴对称为对称轴，且在X轴上只能有正值。建立二维实体模型模拟的是环状缺陷的漏磁情况，当研究缺陷的宽度对漏磁信号有影响时需要建立三维模型。ANSYS程序的模型输入可以采用MKS,CGS或其他一些单位制，系统缺省的单位是MKS，这里采用系统的缺省单位制。一旦选用了一种单位制，以后所有的输入均要按照这种单位制。2 .定义材料属性 ANSYS程序提供了了丰富的线性和非线性材料的表达方式，包括各项同性或正交各项异性的线性导磁率，材料的BH曲线等。在漏磁模型中需要定义空气、磁铁、轭铁和管壁材料的属性。（1）空气 其磁特性式线性的，定义相对磁导率 。（2）管壁 其材料特性要根据所选用的管材确定，常用的钢管材料有Q235,X52,X60和X70等多种牌号试验模型选用常用的X60号钢，查找磁性手册，输入BH曲线。（3）轭铁 常采用高磁导率的低碳钢（4）磁铁 其描述分为不同的种类，点磁铁的描述需要要计算出磁铁截面的电流度JS，永磁铁的磁体行则是通过磁矫顽力矢量和退磁B-H曲线描述的，大多数的漏磁检测器中选用的都是剩磁、矫顽力、静态最大磁能积具有最优值的永磁材料Nd-Fe-B型磁铁作为励磁装置 。3 .划分网络格 在给模型划分网格之前需要给部分区域定义单元类型、材料属性、实常数和单元坐标系。研究中最关心的是泄漏到空气中的漏磁场的情况，环绕系统的空气模型建立的或大或小都会影响最终结果。ANSYS的无限边界单元（原场单元）解决了这一难题，应用中需要为无限边界加远场方向标志（INF），用于说明单元边朝向开放区域。 在ANSYS中有自由网格生成器、映射网格生成器和智能网格生成器。其中智能网格生成器是一种高效的剖分工具，其在剖分的过程中会考虑到模型中的几何曲率来划分单元。在二维模型分析中对分析精度的要求不是太高，计算的数量也不是很大，采用了智能网格生成器划分单元，再对特别关心的区域进行细化。三维模型是将二维模型围绕对称轴旋转一定的角度得到的。3.4.2 求解器 求解器的功能是求解关于自由度的联立线性方程组，求解的时间要示模型的大小（即自由度的数目）和计算的配置而定。ANSYS提供了两种直接求解器，即波前求解器和系数矩阵求解器；同时还提供了三个迭代求解器，即PCG，JCG和ICCG。二维静态磁场分析采用的是磁失势法，推荐使用波前求解器，而对非常大的模型，JCG和PCG求解器更有效。本模型自由度的数目较少，采用波前求解器。三维静态磁场分析有磁标势法、基于单元边的方法，本模型分析的是永磁体产生的磁场，选用磁标势法。在磁标势法中还包括简化标势法（RSP）、差分标势法（DSP）和通用标势法（GSP）三种分析方法，采用GSP方法进行求解。3.4.3 后处理器 ANSYS的后处理器可以以图表和报告的形式给出处理结果，提供了二维磁力线图、矢量磁位图、磁感应强度等值线图、沿路径显示图等多种表达方式。第4章 漏磁检测中提离值的研究4.1 有限元分析提离值对漏磁信号的影响 提离（即传感器与管道内壁的间距）对检测信号的影响很大。采用有限元分析方法可以模拟仿真出各种情况下，不同提离值的检测结果。有限元分析软件ANSYS的后处理器可以定义显示路径，不同的路径代表不同的提离值下传感器的测量情况，在其他条件不便的情况下，提离值越小测出的漏磁信号幅值越大通常将信号的峰峰值作为评价其幅值的参量。4.2 利用ANSYS的具体操作（1）定义工作标题和文件名步骤：进入 ANSYS程序-指定工作标题-指定工作文件名-指定电磁分析选项，如图41所示。图41 定义工作标题和文件名（2）定义单元类型和材料属性步骤：定义单元类型，菜单操作：Preprocessor-Element-Add，如图42所示。图42 定义单元类型定义材料属性包括：空气磁导率、磁化器磁导率、磁化器矫顽力、管道壁BH曲线。具体值上一节已经进行了说明。菜单操作：Preprocessor-Real Constants-Add，如图43所示。图43定义材料属性（3）生成几何图形可通过菜单操作：Preprocessor-Modeling-Create-Areas-Rectangle-By Dimensions，输入具体的值，再选择按材料显示，即得到图形。如图44所示。图44 有限元模型（3）划分网络模型进行网格划分，网格的形状、疏密决定了能否得到另人满意的结果。网格的划分大致分为三种：自由网格划分、映射网格划分、智能网格划分。对于简单的模型，智能网格划分较为高效。菜单操作: Preprocessor-Meshing-MeshTool,进行分区后得到图形，如图45所示图45 网络剖分模型（4）求解运算，得到磁力线分布，如图46所示 图46 磁力线分布设置参考点，进行分析，可在缺陷附近寻找两个点，确定一条路径，如图47 图47 设置参考点后的磁力线分布 从图中可以看出,大部分磁力线通过了磁体、轭铁、管道组成的主磁路。同时磁极附近有部分磁力线从管壁漏出通过空气形成回路。在缺陷附近,有少量磁力线透出管壁上下表面。通过霍尔元件或检测线圈制成的探头就可以检测漏磁场,从而分析其形成的特点及规律。改变缺陷的参数,利用相似的方法进行仿真,可以得到不同形状缺陷的漏磁信号曲线,并进而分析。4.3传感器提离值的影响 在会引起传感器管道漏磁检测中，有大量因素能够影响漏磁检测数据的准确性。焊缝和管道异物、磁化器或者两者同时发生的提离值，并且对获得的漏磁数据有潜在影响。提离值会引起测量的漏磁场信号大小的不准确，导致遗漏或测量量比实际量小的过失。研究提离值现象，并且更好地理解提离值对漏磁检测结果的影响，将改善漏磁检测数据的质量，并获得对缺陷的完整评价。通过对一个典型缺陷进行仿真研究，获得提离值对漏磁信号的影响。鉴于外壁缺陷和内壁缺陷的漏磁信号的特征相类似，故仅以外壁缺陷为例。 仿真实体模型如图48所示，其中，1表示管壁，2表示缺陷，3表示钢刷，4表示永久磁体，5表示轭铁，6表示空气，7表示传感器，d表示传感器提离值。使用的主要材料为：管道直径为377mm，管壁厚为8mm；管壁钢选用X52钢，轭铁与管壁材料相同，永久磁体为线性材料相对导磁率为1.05 ，矫顽力设置为895000A/m；矩形轴对称缺陷长度为10mm，缺陷深度为4mm。 相同缺陷，磁化器提离值为零，传感器提离值从2.0 mm至20 mm，从小到大依次取6个值。图49为不同传感器提离值下，仿真计算得到的漏磁场强度。其中定义漏磁场轴向分量为Bz，Bz的最大值称为轴向漏磁场峰值，记为Bzp。定义漏磁场径向分量为Br，Br的最大值和最小值之间的差值称为径向漏磁场峰峰值，记为Brpp。图410为传感器提离值与漏磁场轴向分量峰值之间的关系，图411为传感器提离值与漏磁场径向分量峰峰值之间的关系。(a) 漏磁场轴向分量比较(b) 漏磁场径向分量比较图49不同提离值下漏磁场强度图410 传感器提离值与漏磁场轴向分量峰值之间的关系 图411传感器提离值与漏磁场径向分量峰值之间的关系4.4 结论 从图中结果可以看出，漏磁场轴向分量的基线和峰值随着传感器提离值的增大迅速降低，径向漏磁场峰峰值随着传感器提离值的增大亦迅速降低，当提离值较大时，漏磁场变化缓慢。传感器提离值能引起测量峰值和基线漏磁通幅值的降低；漏磁通幅值的降低引起测量的实际漏磁场信号大小的不准确，对不准确的漏磁数据的分析将导致缺陷遗漏或测量量比实际量小的过失。在漏磁检测之前，应该评价管道以确定其是否存在残骸。如果确定其存在残骸，应该用适当的管道清洗方法清洗管道，这将改善漏磁检测数据的质量，并导致完整的评价。参考文献1 张家骏.无损检测概论M.北京:机械工业出版社，1993.2 李路明，张家骏，李振星等.用有限元方法优化漏磁检测J.无损检测，1997, 19(6):154一158 3 汪友生，梁策.管壁内部缺陷漏磁信号的ANSYS仿真与分析J.计算机测量与控制，2005, 13(3):273一275.4 黄松岭，李路明，张家骏.在用管道漏磁检测装置的研制J.无损检测，1999, 21(8):344一369.5 杨理践，王玉梅，冯海英 .智能化管道漏磁检测装置的研究J，无损检测，24(3)：100-102，2002.6 汪友生, 梁策 管道内壁缺陷漏磁信号的ANSYS仿真与分析J, 计算机测量与控制，13(3)：273-275， 2005.7 Kershaw, Christopher F. “The Importance of Enhanced Cleaning for In-line Inspection,” The Pipeline Pigging Conference, Houston, TX, Feb 3-6, 1997.8 Payne, Larry, “Cleaning and Geometry Inspection Prior to Corrosion Inspection,” The Pipeline Pigging Conference, Kuala Lumpur, Malaysia, June 29 1998 July 2, 1998.9 Valentine, Francisco, “Effect of Pipeline Debris on Geometry Tool Inspection Results”,Pipeline & Gas Journal, January 2000.10 Francisco Valentine, P.E. Effect of Debris-Induced Lift-off on Magnetic Flux Leakage Inspection Results，Morgantown, West Virginia，2000致谢 本文是在张国光老师的精心指导下完成的。论文的成稿凝聚着导师的关怀和心血。导师渊博的知识、严谨的治学态度都给我留下了深刻的印象，令我受益匪浅，敬佩不已。张老师严谨的学术精神和孜孜不倦的敬业精神、敏捷的思维将值得学生永远学习。在此，谨向导师致以深深的敬意，并表示衷心的感谢。 在课题的开展过程中，多次得到张老师的耐心帮助。同组人在生活和工作中给予了作者很大帮助，在同他们进行富于成果的讨论中，使很多问题变的清晰和明确了。在此，作者向他们表示衷心的感谢!对四年来所有关心和帮助过我的老师、同学和朋友们表示深深的敬意!毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期：