ANSYS在电磁无损检测中的应用

收稿日期:2009-02-24

基金项目:国家自然科学基金资助项目(60672144).

作者简介:冯蒙丽(1981 ),女,河北省保定人,硕士,主要从事无损检测、模拟仿真相关研究.

ANSYS 在电磁无损检测中的应用

冯蒙丽1,蔡玉平1,赵建君1,陈红叶1,宋春荣1,丁红胜2

(1.军械工程学院基础部,石家庄 050003; 2.北京科技大学应用科学学院,北京 100083)

摘要:介绍了电磁无损检测发展现状及其与仿真技术结合发展的必要性,建立了针对交流磁场检测(AC FM )金属缺陷的仿真模型,列出了磁场、电流仿真方面的理论分析,同时简单介绍了涡流检测仿真的发展.展示了仿真技术在无损检测实际工程中的重大意义.

关键词:ANSYS;无损检测;ACFM ;涡流检测中图分类号:TP274.5;O441

文献标识码:A

文章编号:1006-0707(2009)06-0024-03

无损检测技术以不损坏检测对象的使用性为前提,以材料的物理性质为理论基础,其发展过程几乎利用了世界上所有物理研究的新成就,新方法,在航空,医学,机械材料,石油管道等领域具有广泛的应用价值[1-7].

实现无损检测的方法有多种,例如超声检测、射线检测、磁记忆检测、电磁检测等,其中电磁检测主要包括传统涡流检测以及近年发展起来的交变磁场检测(ACFM).并且随着磁测量技术,尤其是20世纪80年代后随着SQUID 的快速发展,电磁检测在电子电路方面又开拓出了一片新的领域[8-10].20世纪90年代是国际无损检测技术发展的又一个兴旺时期,其特点是计算机技术不断向无损检测领域渗透,使得无损检测仪器的改进得到很大提高[6].

随着无损检测技术的不断发展,不仅要求检出缺陷的有无,还要对缺陷进行定量、定性,进而对检测对象做出无损评价.这可以通过试验或数值模拟计算的方法得到,有助于对特定的检测对象进行有效的检测[11]

,通过试验手段具有相当的可靠性,但是仅通过试验来积累经验相当的费时费力[12],并且对于新兴的无损检测技术,如ACFM 方法,这方面的信息相对较少,在实际检测过程中也存在一定难度,作为一种新型技术,需要进一步对测量的可行性进行完善研究,通常可用一定的仿真软件进行模拟.随着数字技术,尤其是有限元方法的广泛应用,它可以方便处理复杂形状的边界和交界面[13],电磁场问题的数值分析也得以解决.

1 ANSYS

ANSYS 是当前可视化的面向科学计算的优秀仿真科

技应用软件.它是当前有限元分析软件中的佼佼者,它拥有丰富和完善的单元库、材料模型库和求解器,保证了它能够高效的求解各类电磁场问题,以及多场耦合问题[14-15].

本研究主要是针对当前新兴的ACFM 无损检测手段先进行仿真研究,再与理论数值相比较,从而为实际检测系统中缺陷的定量研究提供理论上的指导.为使得出的仿真结果更具普遍指导意义,采用三维模型对金属表面缺陷检测进行了模拟.试验结果与理论数值得基本吻合,同时简要介绍了当前涡流检测仿真的发展,这充分显示了这种研究思路在电磁无损检测中的可行性和在实际工程应用中的重大意义.

2 ANSYS 在无损检测中的应用

2.1 ACFM 缺陷检测2.1.1 ACFM 原理

根据楞次定律,电磁波在导体中传播时,导体中将产生感应电流,而感应电流分布及大小与导体的电导特性有关.如果让交变电流垂直于样品平面,当被测样品中无缺陷时感应电流均匀分布,电流线平行,如果存在缺陷,电流线会在缺陷边缘处产生汇聚和偏转,两端电流密度比激励电流要大得多,存在一定的奇异性,这种电流的变化会产生一个偶极子磁场[16-17]

,如图1所示.

在缺陷两端电流最密集,会产生两个B z 峰值,根据两峰值之间的距离可以确定缺陷的长度;沿缺陷方向B x 值受扰动,在缺陷最深处达到最小值.因此ACFM 检测可以通过分析B z 和B x 获得与缺陷有关的长度、深度信息.

第30卷 第6期四川兵工学报2009年6月

此外感应电流存在趋肤效应即电流趋向于在导体表面附近流动,而且电流密度向导体内部成指数衰减,根据理论,趋肤深度 =503f

[18]

,其中f 是电磁波的频率, 和

分别是导体材料的磁导率和电导率,根据这一关系,对某一特定的导体材料,可以求出每一种激发频率所对应的趋肤深度.同理,反过来可以通过寻找最佳感应频率,即缺陷对该频率具有最大的响应来估计缺陷深度.相对于用B x 信息,这种方法估算缺陷深度更加简单直观,在实际应用中的可操作性也更强,本研

究将通过这种方法对激发频率进行选取.

图1 缺陷周围电流分布

2.1.2 模型建立

取尺寸为300mm 300mm 3mm 的铝板,设磁导率为1,铝板正中心长方体缺陷尺寸为10mm 1mm 1mm,激励线圈尺寸为40mm 25mm 25mm,厚度1m m,匝数800N,相对磁导率1,水平放置在距离裂缝4mm 的空气中,通频率为500~20000Hz

的正弦电流,如图2所示.

图2 铝板、线圈位置示意图

采用solid97单元划分线圈、铝板以及空气场,采用in fi n111划分远场,同时使用mesh200设置非解区域,把开域问题建立为闭域问题求解.

2.1.3 仿真结果

将激励线圈放在缺陷正上方,通过对不同频率下的磁场信号进行比较,选取6000Hz 的最佳激发频率进行激发.

截取了缺陷附近30mm 30mm 范围,从铝板表层到深度1mm 的节点电流值,发现在线圈有效激励范围之内,缺陷附近电流在缺陷两端产生的磁场出现汇聚.电流清晰的显示了缺陷部分的变化趋势.将截面锁定在铝板表

层,

放大后的情景如图3所示.

图3 缺陷附近的电流矢量分布

在铝板表层到深度1mm,缺陷附近30mm 30mm 范围内磁场分布如图4.在大范围内激励线圈磁场占主导地位,在缺陷附近,感应电流所产生的磁场占据优势.在图中可以看出磁场从缺陷下端向下,在缺陷上端方向逐渐朝上的趋势,这样在缺陷下端会出现B z 的最小值,在上端出现B z 的最大值.

图4 仿真缺陷周围磁场分布

2.1.4 缺陷测量

根据趋肤深度公式,及各种激发频率下结果进行比较,对不同6000Hz 激发频率下铝板上方0.1mm 处沿缺陷方向20mm 长度范围内的磁场B z 数据进行了采集.结果如图5所示.

图5 磁场二维分布

从图5中可以看出缺陷长度为10mm(在5~15mm 之间).在一维数据的基础上,测量高度0.1mm,缺陷正上方15m m 15mm 范围内磁场分布如图6所示.在缺陷两端分别出现了一个磁场的极值,两个极值之间的距离就是缺陷长度.可以看到磁场信息清晰准确地显示了缺陷位置和长度.

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冯蒙丽,等:ANSYS 在电磁无损检测中的应用