复合励磁漏磁检测的ANSYS仿真分析

2014-10-25王学增杨志军

无损检测 2014年3期

戴光，赵天，王学增，杨志军

（东北石油大学机械科学与工程学院，大庆 163318）

漏磁检测原理是建立在铁磁性材料高磁导率特性基础上的，因而不适用于非铁磁性金属的检测。漏磁检测法具有不需要耦合，检测速度快，高效能、无污染，检测灵敏度高，检测缺陷类型多，可靠性好，可实现对缺陷的量化等特点，在储罐底板和管道的裂纹及腐蚀检测方面发挥了重要的作用［1］。

目前常用的励磁方式有直流线圈励磁和永久磁铁励磁，直流线圈励磁往往需要较大的磁化器，才能使试件磁化饱和从而缺陷处产生足够的漏磁场；而永久磁铁的励磁能力受到限制，不能对大部件进行磁化，也不容易量化处理［2］。通过将直流线圈励磁法和永久磁铁励磁法整合成复合励磁法可以有效解决以上问题［3］。笔者只对此进行理论分析，后续将会进行复合励磁漏磁检测试验进而验证理论部分所得出的结论。

1 复合励磁漏磁检测原理

漏磁检测是利用磁现象来检测铁磁材料工件表面及近表面缺陷的一种无损检测方法。笔者采用永久磁铁和直流电磁相结合的复合励磁源磁化被测工件，复合励磁漏磁检测原理如图1所示。调节电流方向，使线圈产生的磁力线与永久磁铁产生的磁力线方向相同。当被测钢板没有缺陷的时候，磁力线大部分从钢板内通过，没有产生漏磁场；当被测钢板上有缺陷的时候，磁力线经过缺陷时，磁力线发生弯曲，会有一部分漏出表面［4］，这时通过在被测钢板上方添加磁敏传感器霍尔元件，采集到漏出表面的磁力线并将其转化为电信号反馈到计算机，在计算机上通过采集软件呈现出带有漏磁信号的带状图和波形图［5］。

图1 复合励磁漏磁检测原理图

2 复合励磁漏磁检测ANSYS仿真分析

笔者应用ANSYS软件对复合励磁磁化结构、被测试件及周围空气进行建模，其中被测试件为带缺陷的平板试件，根据复合励磁漏磁检测特点，对磁化结构进行了一些改进，把极靴的高度加长，这样解决了缠绕线圈和传感器盒的高度和超过原有的极靴高度等问题。对设计的模型进行3D仿真分析，以板厚为10mm平板试件为例，具体步骤如下：

（1）有限元模型的建立及单元类型的选择

建模采用实体建模方式建立复合励磁漏磁检测有限元模型，其主要结构如图2所示。为了应用RACE命令建立跑道型线圈，选择8节点的Solid96单元作为ANSYS分析的单元类型。

图2 复合励磁漏磁检测有限元模型

（2）赋予材料属性、划分网格

每种材料都有其特定的特性，材料特性可以是线性的也可以是非线性的。线性材料通过相对磁导率MURX、MURY、MURZ来定义，非线性材料则是通过B－H 曲线来描述其导磁特性。其中：空气相对磁导率为1.0；衔铁、极靴和被测容器三者都为非线性材料，需要设置相应的B－H 曲线；永磁铁作为整体结构的励磁源，需要根据其励磁方向定义其矫顽力方向和大小；线圈采用RACE命令建立非实体模型，根据励磁方向定义电流。

采用映射网格划分把模型划分成规则的六面体若干份，可有效控制模型中各部分的网格精度，保证较高的计算精度［6］。

模型的网格划分如图3所示，其中线圈为RACE激励载荷，不用划分；磁化结构周围空气设置为透明，以便于观察模型内部结构。

图3 复合励磁磁化结构网格划分图

（3）加载激励载荷与边界条件

模型中载荷是两块永磁铁和直流永磁线圈，永磁模型部分无需再进行加载；电磁模型部分建立RACE跑道型线圈加载；采用的棱边单元法的边界条件只需设置磁力线平行于整体模型表面即可，磁力线垂直边界条件自然满足。

（4）求解计算和后处理

图4 整体结构和去除空气层（缺陷处）的复合励磁磁感应强度云图

由于模型为单连通铁区，所以采用DSP法对模型进行求解计算。通过软件的计算求解，得出复合励磁磁感应强度云图。图4为复合励磁整体结构磁感应强度云图和去除空气层（缺陷处）的复合励磁磁感应强度云图。在ANSYS软件的后处理中能以不同形式得到平板缺陷处漏磁场分布。提取钢板表面1mm高度的漏磁场分布，可以得到该高度上的磁感应强度B和磁场强度H。