基于ansys的管道磁致伸缩导波检测的仿真分析

《基于ansys的管道磁致伸缩导波检测的仿真分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、基于ANSYS的管道磁致伸缩导波检测的仿真分析薛丽（江西蓝天学院电子信息工程系江西南昌330098）摘要：利用有限元分析软件ANSYS对管道纵向导波裂纹检测进行了数值模拟，得到了磁致伸缩纵向导波在管道中传播的振形图，并介绍了ANSYS软件进行瞬态电磁场仿真的过程，为磁致伸缩导波检测的研究提供了帮助。关键词：管道磁致伸缩导波中图分类号：TM930.124文献标识码：A文章编号：123（2011）04-027-050引言工业长输管道作为油、气、浆液等能源的主要运输工具，常常工作在比较特殊或极其恶劣的环境中，经过一定时间的运行后，会

2、出现锈蚀、腐蚀、裂纹等缺陷，其中以裂纹缺陷最为普遍。常见的管道裂纹主要有应力腐蚀裂纹、氢致裂纹和疲劳裂纹等。在目前，传输介质温度、压力不断增大的情况下，管内压力的作用很容易使其发生快速扩展，造成管壁开裂，引发恶性事故。为了实现对工业长输管道的快速普查并对表面缺陷进行定量评价，人们研究了许多方法。磁致伸缩式导波检测法就是其中的一种，它直接利用管道材料本身所具有的磁致伸缩特性对长输管道进行缺陷的识别和评价，具有长【1】距离、快速、可靠、经济且无须剥离外包层等优点，在长输管道检测方面表现出独特的优势。为此，本文运用有限元软件ANSY

3、S对管道纵向导波裂纹检测进行了数值模拟，可实现对管道裂纹较为精确的定位和识别。2磁致伸缩导波检测原理及装置图1磁致伸缩导波管道裂纹检测原理收稿日期：2011-2-15作者简介：薛丽（1982-），女，湖北枝江人，江西蓝天学院电子系，硕士。研究方向：无损检测。基于磁致伸缩效应的管道导波无损检测装置主要由激励传感器、接收传感器和磁致伸缩检测仪组成（如图1所示）。其中，激励传感器由形成偏置磁场的永久磁铁或线圈、形成激励磁场的激励线圈和部分钢管三部分组成，它能将电信号转换为磁场信号，使钢管产生磁致伸缩应变，从而在钢管中激发弹性导波，并

4、沿着钢管传播；接收传感器也是由形成偏置磁场的永久磁铁或线圈、接收线圈和部分钢管三部分组成，它能是将磁场信号转换为电信号，这与激励传感器功能相反。根据磁致伸缩逆效应，由磁致伸缩应变在钢管中激发的弹性导波，沿着钢管两端传播时，会引起钢管材料内部的磁特性发生改变，使得特征信号在通过检测线圈时，引起检测线圈中的磁通量发生变化，从而在其两端形成感应电压信号即回波信号。该信号在传输过程中若遇到介质不连续时将发生反射、折射和模式转换现象，因此回波信号将包含丰富的介质连续信息，通过分析回波信号特征就可以判断管道中是否存在腐蚀、裂纹、破损等缺陷

5、。由PC机控制信号的激励和接收，由函数发生器产生的激励信号，经功率放大器放大后加载在激励线圈上，由磁致伸缩效应激发出导波，导波在检测线圈处因磁致伸缩逆效应，转化为电信号，经过信号处理模块处理后输入A/D转换模块，然后将信号送入计算机进行后处理，把检测结果以图像、文字的形式表达出来。2仿真分析有限元分析是将物体划分成有限个单元，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，

6、融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体。2.1单元选择【2】根据文献，可以类比压电效应来模拟磁致伸缩正效应，类比逆压电效应来模拟压磁效应，即磁致伸缩逆效应。为此，本文选用ANSYS中具有压电效应的单元SOLID5来进行仿真。由于压电材料与磁致伸缩材料都具有相同的位移自由度。因此，只需把磁致伸缩材料磁致伸缩效应中的磁场量转化为压电分析的电场量即可，具体如表1所示。表1压磁—压电类比参数压电材料UXUYUZVOLT磁致伸缩材料UXUYUZNI其中，NI为磁致伸缩材料上的激磁安匝数，由偏置磁场和激励磁场的安匝数决定。本文中偏置线圈

7、的轴向密度为0.95匝/mm，总匝数为760；线圈填充因子λ=1；线圈长L=80mm，厚度为11.5mm。2.2管道有限元模型参数的确定管道的材料选用20号钢，其泊松比为0.29，恒磁场强度下的弹性模量为210GPA，密度为37800kg/m。管道的内外径分别为17mm、18mm，管道长度为1.2m。2.3建立有限元模型和网格划分本文导波在管道中的传播、激励和接收，视管道为各向同性材料构成。各向同性弹性体的弹性常数矩阵由于其对称性，只需要两个系数E和µ来描述，其中，E为材料在恒磁场强度下的的弹性模量，µ为材料的泊松比。将钢管轴

8、线与Z轴重合来建模，则磁致伸缩激励纵向导波的方向为沿着管道轴向。采用自高向低建模，管道有限元模型如图2所示。其中，选用建模效率较高和可移植性好的APDL命令流来建立有限元模型。选择扫略SWEEP命令来划分网格，可以得到质量较高的有限元网格。图2管道有限元模型图2.4加载实际应