基于ANSYS的管道磁記憶檢測(cè)技術(shù)仿真研究.pdf

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1、第41卷第2期化工機(jī)械207基于ANSYS的管道磁記憶檢測(cè)技術(shù)仿真研究易方4(北京航空油料檢測(cè)中心)摘要為了研究管道磁記憶檢測(cè)技術(shù)缺陷判定準(zhǔn)則的基本規(guī)律。采用ANSYS有限元方法建立了缺陷管道的力磁效應(yīng)模型，按照拉應(yīng)力和彎曲變形兩種狀態(tài)進(jìn)行了約束和應(yīng)力加栽。通過應(yīng)力分析和磁場(chǎng)分析，對(duì)兩種不同應(yīng)力狀態(tài)下地磁場(chǎng)中鐵磁性管道應(yīng)力及其導(dǎo)致的磁應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行了分析和探討。關(guān)鍵詞管道ANSYS磁記憶檢測(cè)仿真中圖分類號(hào)TQ051．8+l文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0254-6094(2014)02-0207-04應(yīng)用ANSYS進(jìn)行金屬磁記憶檢測(cè)的力磁效應(yīng)分析，其基本原

2、理是：采用直接耦合的方式，通過對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域鐵磁性管道的基本屬性(包括磁導(dǎo)率等)進(jìn)行賦值，進(jìn)而求解出其他相關(guān)量(如磁場(chǎng)強(qiáng)度等)。通過模擬地磁場(chǎng)和外應(yīng)力作用下的加載條件，探討不同外應(yīng)力條件下管道應(yīng)力集中部位磁場(chǎng)的變化規(guī)律¨q]。1管道模型建立以小口徑鐵磁性管道的一段為研究對(duì)象，管道模型的基本尺寸如圖1所示，管道外半徑R=80ram，內(nèi)半徑r=75mm，管段長(zhǎng)200ram，在管段長(zhǎng)度中央上部肘點(diǎn)處設(shè)定一個(gè)直徑D=4ram的通孔作為缺陷。圖1管道模型根據(jù)圖l中點(diǎn)劃線確定坐標(biāo)軸，髫、y軸分別沿管道直徑方向，彳軸沿管道軸向，石．y．：軸的方向滿足右手法則

3、。由于管道和缺陷均關(guān)于y吃平面對(duì)稱，所以截取1／2管道進(jìn)行分析，管道截面位于，，唁平面，通孔也為原來缺陷的1／2。圖2為帶缺陷的管道有限元模型和空氣模$易方，男，1982年1月生，工程師。北京市，100076。型。缺陷管道模型選取l／2管道和缺陷進(jìn)行建模。應(yīng)力分析過程不需要空氣模型；在磁場(chǎng)分析過程中，管道磁記憶檢測(cè)的有限元模型需要模擬空氣磁場(chǎng)的影響，因此選用尺寸為240mm×100mm×200mm的立方體空氣模型覆蓋管道模型。缺陷空氣的外層用遠(yuǎn)場(chǎng)單元進(jìn)行標(biāo)識(shí)約束，或者在空氣層外表面施加平行或者垂直通量約束。由于有限元管道模型施加了約束和載荷，因

4、此也直接對(duì)空氣層外表面施加平行通量約束?！骸?‘a(chǎn)．管道模型b．空氣模型圖2帶缺陷的管道有限元模型208化工機(jī)械2014年應(yīng)力分析中采用SOLID45單元，該單元為八節(jié)點(diǎn)六面體單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度，具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力鋼化、大變形和大應(yīng)變功能，可通過選取非線性模型進(jìn)行塑性單軸、多軸拉伸過程模擬。磁場(chǎng)分析中采用磁標(biāo)勢(shì)分析單元SOLID96，該單元為三維磁學(xué)分析單元，其自由度為磁標(biāo)勢(shì)MAG，可用于簡(jiǎn)化磁標(biāo)勢(shì)(RSP)、差分磁標(biāo)勢(shì)(DSP)和通用磁標(biāo)勢(shì)(GSP)分析h41。劃分網(wǎng)格之后的管道和空氣模型單元幾何形狀和節(jié)點(diǎn)分布如圖3所示?！蝊

5、一一a．管道模型b．空氣模型圖3有限元模型網(wǎng)格劃分2約束與應(yīng)力加載2．1應(yīng)力分析為了討論管道在不同類型應(yīng)力狀態(tài)下，檢測(cè)磁場(chǎng)與應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系，在進(jìn)行應(yīng)力分析過程中將約束與應(yīng)力加載分為以下兩種形式：a．拉應(yīng)力狀態(tài)。如圖4a在管道模型一端施加面約束，另一個(gè)端面施加拉應(yīng)力，位移約束和拉應(yīng)力載荷位置將自動(dòng)轉(zhuǎn)化至相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處。b．彎曲變形狀態(tài)。如圖4b對(duì)管道模型沿軸向?qū)ΨQ面施加位移約束，在兩端沿端面切向施加兩個(gè)剪應(yīng)力，位移約束和拉應(yīng)力載荷位置將自動(dòng)轉(zhuǎn)化至相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處。M2．3磁場(chǎng)分析管道有限元磁場(chǎng)分析，賦值0．6Gauss空氣磁場(chǎng)模擬大地磁場(chǎng)，同時(shí)對(duì)空氣邊界施

6、加通量平行邊界條件。3拉應(yīng)力狀態(tài)的檢測(cè)漏磁場(chǎng)在ANSYS中建立長(zhǎng)度為200mm的管段模型，固定管道的一個(gè)端面，在另一個(gè)端面沿軸向施加拉應(yīng)力，拉應(yīng)力大小由0逐漸增大至屈服極限，得出管段正中心100mm位置磁場(chǎng)強(qiáng)度的切向分量B。和法向分量曰，隨拉應(yīng)力變化曲線(圖5)。圖5表示了3種不同材料的管道受到0—400MPa拉應(yīng)力作用時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化。結(jié)果表明：不同材料特性的管道磁場(chǎng)強(qiáng)度隨拉應(yīng)力變化趨勢(shì)大致相同，不同拉應(yīng)力狀態(tài)下管道漏磁場(chǎng)強(qiáng)度變化幅度受到管道材料的影響，屈服強(qiáng)度值越大，幅值越小。隨著0—400MPa逐漸加載，管道中心100mm處的磁場(chǎng)強(qiáng)度切向

7、分量由剩磁場(chǎng)逐漸增大；法向分量由剩磁場(chǎng)出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。一觀察圖5，在施加拉應(yīng)力的起始階段，磁場(chǎng)強(qiáng)度B。值并未隨著應(yīng)力增大而增大，而是出現(xiàn)了減小現(xiàn)象。根據(jù)磁機(jī)械效應(yīng)原理，受到持續(xù)變化載荷作用的鐵磁性材料的磁化強(qiáng)度朝著非磁滯方向變化¨’9】。因此，拉應(yīng)力并不是簡(jiǎn)單的使鐵磁性管道的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨外應(yīng)力增加，而是朝著抗磁性方向有一個(gè)短暫的偏移，出現(xiàn)減小。第41卷第2期209圖5磁場(chǎng)強(qiáng)度隨圖6中口、b、C分別表示3種材料的管道受到400MPa拉應(yīng)力作用時(shí)不同位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線。根據(jù)應(yīng)力分布曲線，管道磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值位于，但是在100mm缺陷位置磁法向分量曰，在

8、100mm附近磁記憶檢測(cè)準(zhǔn)則。圖6磁場(chǎng)強(qiáng)度隨位移變化曲線圖4彎曲變形狀態(tài)的檢測(cè)漏磁場(chǎng)為了研究管道處于彎曲變形狀態(tài)。切應(yīng)力對(duì)檢測(cè)漏磁場(chǎng)的影響，設(shè)定圖4b