表面裂纹倾角漏磁场的数值模拟与实验研究.pdf

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1、第39卷第1期化工机械77表面裂纹倾角漏磁场的数值模拟与实验研究宰戴光料1杨大明2崔巍1(1．东北石油大学机械科学与工程学院；2．大庆石化公司)摘要以表面裂纹漏磁场为研究对象，以电磁场麦克斯韦方程组为理论基础，以有限元数值分析为手段，建立裂纹漏磁场三维静态数值模拟模型，用数值分析和实验方法研究裂纹倾角对裂纹漏磁场的影响。得到漏磁场磁感应强度日、磁场强度日和漏磁场信号幅值随裂纹倾角的变化曲线。结果表明：表面裂纹倾角与裂纹漏磁场呈递增的关系，当裂纹与外加励磁磁场方向垂直时，裂纹漏磁场磁感应强度口、磁场强度Ⅳ及信号幅值均最大。关键词表面裂纹倾角漏磁场数值分析实验研究中图分类号TQ05

2、0．7文献标识码A文章编号0254-6094(2012)OlJD077J04漏磁检测技术在石油和石化行业应用广泛，在储罐和管道的裂纹及腐蚀检测方面发挥了重要的作用。但因裂纹缺陷的几何形状复杂，在工程检测中的影响因素也比较多，裂纹漏磁检测就成为检测技术中的难点¨“o。研究资料表明：表面裂纹的倾角是影响裂纹漏磁场的一个重要的参量，在以往的研究工作中，对表面裂纹与磁场方向垂直情况下的漏磁场做了较多工作，而在工程实际检测中裂纹往往与外加励磁磁场的方向成一定的角度。为此，笔者针对表面裂纹倾角漏磁场，利用有限元分析得到表面裂纹倾角与裂纹漏磁场之间的关系。并用实验的方法分析表面裂纹倾角与裂纹

3、检测信号幅值之间的关系，验证了数值分析的正确性，为工程实践中的表面裂纹倾角漏磁检测提供参考。1表面裂纹倾角漏磁场数学模型漏磁检测是一种电磁无损检测方法，是依赖于电磁能量与被检构件之间的交互作用实现对缺陷进行检测的，这种交互作用的定量关系从理论上可用麦克斯韦方程组¨-表示：Vm警=o(1)V·日一箬=．，(2)V。D=p(3)V·曰=0(4)式中E——电场强度，V／m；D——电通量密度，C／m2；日——磁场强度，A／m；B——磁感应强度，Wb／m2；．，——电流密度，A／m2；p——电荷密度，C／m3。麦克斯韦方程组是描述所有宏观电磁现象的一组基本方程，所以裂纹漏磁场的数学模型可

4、以通过麦克斯韦方程组及其相应的边界条件给出。由于材料的磁特性是非线性的，直接求解上式的解析解比较困难，因此笔者利用有限元软件求取上式的数值解。2表面裂纹倾角漏磁场数值分析本研究中采用的是实体建模方法，应用有限元分析软件进行三维模拟仿真。有限元模型是建立在漏磁检测装置结构基础上的，根据使被磁化钢板局部达到饱和磁感应强度80％以上确定磁化结构。表面裂纹的实际形状并不规则，为了应用有限元方法对裂纹缺陷漏磁场进行分析，将裂纹形状简化成端面上部为近似槽形、下部为V形的组·黑龙江省自然科学基金(E201016)和黑龙江省教育厅科学技术研究重点项目(2511008)。··戴光，男。1954年

5、12月生，教授，系主任。黑龙江省大庆市，163318。78化工机械2012年台缺陷进行有限元分析⋯。分别建立表面裂纹倾角为0、10、20、30、45、60、90。的有限元模型。定义裂纹长度方向与磁场方向之问所夹最小锐角为裂纹倾角，用卢表示(图1)。以裂纹倾角0。为例，建立的有限元分析模型如图2所示。图1表面裂纹倾斜角度示意围困2敷值分析实体模型1——衔铁；2——磁铁；3——极靴；4——气隙；5——钢板；6——裂纹本研究采用基于单元边法的3D静态磁场分析，定义单元体类型souDll7。磁化结构中极靴和衔铁均为工业纯铁。检测钢板材料为Q235，板厚6mm。采用映射网格划分，求解的边

6、界条件为平行边界条件，分别得到漏磁场磁感应强度日和漏磁场磁场强度圩分布情况(图3、4)。从图3、4图3漏磁场磁感应强度B分布孥I圈4漏磁场磁场强度H分布上清晰地看到，缺陷附近漏磁场的分布情况，而且缺陷上、下表面的空气中都有明显的漏磁场，可以利用霍尔元件等磁敏元件检测到。为了研究表面裂纹倾角与漏磁场的关系，在裂纹其他参数不变的情况下，研究裂纹倾角与漏磁场磁感应强度及磁场强度之间的关系。以厚度为6mm的钢板，建立长为加娜、宽lmm、深度4mm的裂纹有限元分析模型，不改变裂纹的其他参数，只改变裂纹与磁场方向的夹角。提取有限元分析结果，分别得到不同的裂纹倾角口与磁感应强度B和磁场强度Ⅳ

7、关系的曲线(图5、6)。由图5、6可以看到。裂纹倾角对裂纹漏磁场卜诗魁蕊增碴越倾斜角度舢。】图5裂纹角度口与磁感应强度曰关系曲线!毒宝≤趟禹舞越博斜角度脚foJ图6裂纹角度口与磁场强度日关系曲线第39卷第1期化工机械79的影响比较大，随着角度的增大裂纹漏磁场磁感应强度B和磁场强度H都相应的增大，故裂纹倾角卢与裂纹漏磁场呈递增的关系。3表面裂纹倾角漏磁检测实验分析3．1表面裂纹漏磁检测实验系统利用实验室研制的多通道漏磁检测系统(图7)进行检测实验，该漏磁检测系统包括对裂纹漏磁检测提供外加励磁场