管道漏磁內(nèi)檢測(cè)缺陷漏磁場(chǎng)二維ANSYS仿真過(guò)程

1、圖A.1實(shí)體模型A.2 管道漏磁內(nèi)檢測(cè)缺陷漏磁場(chǎng)二維ANSYS仿真A.2.1問(wèn)題描述管徑為377mm，管壁厚度為8mm，對(duì)于二維幾何模型來(lái)講，管道檢測(cè)裝置是一個(gè)完全軸對(duì)稱的圖形，只需要建立1/4實(shí)體模型。模型包括管壁、磁化器、永磁體、鋼刷和軛鐵。圖A.1中A1表示內(nèi)缺陷的實(shí)體，深50%，長(zhǎng)2cm，處于兩個(gè)磁極中間；A2、A4為永磁體，厚3cm，長(zhǎng)8cm，矯頑力為Oe，相對(duì)磁導(dǎo)率為1.05；A3、A5為鋼刷，厚5cm，長(zhǎng)8cm，相對(duì)磁導(dǎo)率為； A7為軛鐵，厚2cm，長(zhǎng)36cm，相對(duì)磁導(dǎo)率為；A10為管壁，厚8mm，長(zhǎng)46cm，采用X52號(hào)鋼，它的磁特性如表4.2成非線性，B-H曲線如圖4.2所示

2、；A6、A8、A9為空氣域，是由包圍檢測(cè)裝置和管壁的空氣域分割而成，管壁外取5 cm寬的空氣域，空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率為1。以Y軸為對(duì)稱軸（管壁軸向延伸方向），坐標(biāo)原點(diǎn)取在管道中心，建立仿真模型。A.2.2 ANSYS仿真GUI（圖形用戶界面）操作方法1. 創(chuàng)建物理環(huán)境（1）過(guò)濾圖形界面GUI：Main Menu Preferences，彈出圖A.2界面對(duì)話框，選中“Magnetic-Nodal”（磁場(chǎng)-節(jié)點(diǎn)分析），對(duì)后面的分析進(jìn)行菜單及相應(yīng)的圖形界面過(guò)濾。圖A.2過(guò)濾圖形界面（2）定義工作標(biāo)題Utility MenuFileChange Title，在彈出的對(duì)話框中輸入“MFL Analysis”

3、，單擊“OK”，如圖A.3所示。圖A.3定義工作標(biāo)題（3）指定工作名Utility MenuFileChange Jobname，在彈出的對(duì)話框中輸入“MFL_2D”，單擊“OK”，如圖A.4所示。圖A.4指定工作名（4）指定工作目錄Utility MenuFileChange Directory，彈出“Change Working Directory”對(duì)話框，選擇（建立）工作目錄“E:MFL_ANSYS”，單擊“確定”，如圖A.5所示。圖A.5指定工作目錄（5）定義單元類型和選項(xiàng)GUI：Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete，彈出“E

4、lement Types”單元類型對(duì)話框，如圖A.6（a）所示。單擊“Add ”按鈕，彈出“Library of Element Types”單元類型庫(kù)對(duì)話框，如圖A.7所示。在該對(duì)話框左面滾動(dòng)欄中選擇“Magnetic Vector”，在框右面滾動(dòng)欄中選擇“Vect Quad 4nod13”，單擊“OK”，定義了“PLANE13”單元，如圖A.6（b）所示。 （a） （b）圖A.6 單元類型對(duì)話框圖A.7單元類型庫(kù)對(duì)話框在 “Element Types”對(duì)話框中單擊“Options”按鈕（如圖A.6（b）所示），彈出“PLANE13 element type options”單元類型選項(xiàng)對(duì)話

5、框，如圖A.8所示。在“Element behavior”后面的下拉式選擇欄中選擇“Axisymmetric”，將PLANE13單元屬性修改為軸對(duì)稱，單擊“OK”退出此對(duì)話框，得到圖A.6（b）所示的結(jié)果。最后單擊“Close”，關(guān)閉單元類型對(duì)話框。圖A.8單元類型選項(xiàng)對(duì)話框（6）定義材料屬性GUI：Main MenuPreprocessorMaterial Props Material Models，彈出“Define Material Model Behavior”對(duì)話框，如圖A.9所示。在右邊的欄中連續(xù)雙擊“ElectromagneticsRelative PermeabilityCon

6、stant”后，又彈出“Permeability for Material Number 1”對(duì)話框，如圖A.10所示，在該對(duì)話框中“MURX”后面的輸入欄輸入“1”，單擊“OK”。至此完成了相對(duì)磁導(dǎo)率為的1號(hào)材料的定義，用于空氣域和缺陷。單擊“MaterialNew Model”彈出“Define Material ID”，在“Define Material ID”后面輸入材料號(hào)為“2”，如圖A.11，單擊“OK”。在“Define Material Model Behavior” 對(duì)話框中左邊欄單擊“Material Model Number 2”，在右邊的欄中連續(xù)雙擊“Electroma

7、gneticsRelative PermeabilityConstant”后又彈出“Permeability for Material Number 2”對(duì)話框，在該對(duì)話框中“MURX”后面的輸入欄輸入“1.05”，單擊“OK”；繼續(xù)在右邊的欄中連續(xù)雙擊“ElectromagneticsCoercive ForceConstant”后又彈出“Permeability for Material Number 2”對(duì)話框，在該對(duì)話框中“MGXX”后面的輸入欄輸入“”，如圖A.12所示，單擊“OK”。至此完成了相對(duì)磁導(dǎo)率為的1.05，矯頑力為的2號(hào)材料定義，用于永磁體（N極）。圖A.9 定義材料屬性

8、對(duì)話框 圖A.10 定義相對(duì)磁導(dǎo)率 A.11 定義新材料圖A.12 定義矯頑力單擊“EditCopy”彈出“Copy Material Model”，如圖A.13所示，單擊“OK”，在“from Material number”欄后面下拉式選擇欄中選擇材料號(hào)為“2”；在“to Material number” 欄后面的輸入欄中輸入材料號(hào)為“3”。，單擊“OK”，把2號(hào)材料的屬性復(fù)制給3號(hào)材料。在“Define Material Model Behavior” 對(duì)話框中左邊欄依次雙擊“Material Model Number 3”和“Coercive Force（const）”，在彈出的“Co

9、ercive Force for Material Number 3”對(duì)話框中“MGXX”后面的輸入欄輸入“-”，單擊“OK”。至此完成了相對(duì)磁導(dǎo)率為的1.05，矯頑力為-的3號(hào)材料定義，用于永磁體（S極）。圖A.13 復(fù)制材料屬性單擊“EditCopy”，在“from Material number”欄后面下拉式選擇欄中選擇材料號(hào)為“1”；在“to Material number” 欄后面的輸入欄中輸入材料號(hào)為“4”。，單擊“OK”，把1號(hào)材料的屬性復(fù)制給4號(hào)材料。在“Define Material Model Behavior” 對(duì)話框中左邊欄依次雙擊“Material Model Num

10、ber 4”和“Permeability（constant）”，在彈出的“Permeability for Material Number 4”對(duì)話框中“MURX”后面的輸入欄輸入“”，單擊“OK”。至此完成了相對(duì)磁導(dǎo)率為的4號(hào)材料定義，用于軛鐵。單擊“MaterialNew Model”彈出“Define Material ID”對(duì)話框，在“Define Material ID”后面輸入材料號(hào)為“5”，單擊“OK”。在“Define Material Model Behavior” 對(duì)話框中左邊欄單擊“Material Model Number 5”，在右邊的欄中連續(xù)雙擊“Electroma

11、gneticsBH Curve”后，彈出“BH Curve for Material Number 5”定義材料B-H曲線對(duì)話框，如圖A.14所示。在H和B里依次輸入相應(yīng)的值，每輸入完一組B-H值，點(diǎn)擊右下角的“Add Point”按鈕，然后繼續(xù)輸入，直到輸入完足夠的點(diǎn)為止。最后獲得如圖A.14所示的15個(gè)點(diǎn)。輸入完材料B-H值后，可以用圖形方式查看B-H曲線。單擊圖A.14中的“Graph”，選擇“BH”，便可顯示B-H曲線，如圖A.15所示。圖A.14 輸入材料B-H曲線圖A.15材料5的B-H曲線5種材料屬性輸入完成后，得到的結(jié)果如圖A.16所示，最后單擊“MaterialExit”結(jié)束

12、。圖A.16 材料屬性定義結(jié)果查看材料列表：Utility MenuListPropertiesAll Materials，彈出“MPLIST Command”信息窗口，如圖A.17所示。信息窗口列出了所有定義的材料及其屬性，確認(rèn)無(wú)誤后，單擊信息窗口“File Close”關(guān)閉窗口。圖A.17 材料列表信息窗口2. 建立模型，賦予特性，劃分網(wǎng)格（1）定義分析參數(shù)Utility MenuParametersScalar Parameters，彈出“Scalar Parameters”對(duì)話框，如圖A.18所示。在“Selection”輸入行中輸入“DEPTH=50”（缺陷深度50%），單擊“Acc

13、ept”。然后依次在“Selection”輸入行中分別輸入“LENGTH=0.02”（缺陷長(zhǎng)度2cm）和“T=0.008”（管壁厚度8mm），并單擊“Accept”按鈕確認(rèn)，最后輸入完成后，單擊“Close”，關(guān)閉“Scalar Parameters”對(duì)話框，其輸入?yún)?shù)的結(jié)果如圖A.18所示。（2）打開面積區(qū)域編號(hào)顯示Utility MenuPlotCtrlsNumbering，彈出“Plot Numbering Cnotrols”對(duì)話框，如圖A.19所示。選中“Area Numbers”選項(xiàng)，后面的文字由“off”變?yōu)椤皁n”，單擊“OK”關(guān)閉窗口。 圖A.18 輸入?yún)?shù)對(duì)話框 圖A.19顯

14、示面積區(qū)域編號(hào)對(duì)話框（3）建立平面（2D）幾何模型 建立矩形區(qū)域GUI：Main MenuPreprocessorModelingCreateAreasRectangleBy Dimensions，彈出“Create Rectangle By Dimension”對(duì)話框，如圖A.20所示。在“X-coordinates”后面的輸入欄中分別輸入“0.085”和“0.105”，在“Y-coordinates”后面的輸入欄中分別輸入“0.05”和“0.41”，單擊“Apply”。圖A.20 生成矩形對(duì)話框在“X-coordinates”后面的輸入欄中分別輸入“0.105”和“0.135”，在“Y-c

15、oordinates”后面的輸入欄中分別輸入“0.05”和“0.13”，單擊“Apply”。在“X-coordinates”后面的輸入欄中分別輸入“0.105”和“0.135”，在“Y-coordinates”后面的輸入欄中分別輸入“0.33”和“0.41”，單擊“Apply”。在“X-coordinates”后面的輸入欄中分別輸入“0.135”和“0.185”，在“Y-coordinates”后面的輸入欄中分別輸入“0.05”和“0.13”，單擊“Apply”。在“X-coordinates”后面的輸入欄中分別輸入“0.135”和“0.185”，在“Y-coordinates”后面的輸入欄中

16、分別輸入“0.33”和“0.41”，單擊“Apply”。在“X-coordinates”后面的輸入欄中分別輸入“0.185”和“0.193”，在“Y-coordinates”后面的輸入欄中分別輸入“0.0”和“0.46”，單擊“Apply”。在“X-coordinates”后面的輸入欄中分別輸入“0.185+T*DEPTH*0.01”和“0.193”，在“Y-coordinates”后面的輸入欄中分別輸入“0.23-0.5*LENGTH”和“0.23+0.5*LENGTH”，單擊“Apply”。在“X-coordinates”后面的輸入欄中分別輸入“0.0”和“0.243”，在“Y-coord

17、inates”后面的輸入欄中分別輸入“0.0”和“0.46”，單擊“OK”。 幾何模型布爾運(yùn)算GUI：Main MenuPreprocessorModelingOperateBooleansOverlapAreas，彈出“Overlap Areas”拾取框，如圖A.21所示。單擊“Pick All”按鈕，對(duì)所有的面積進(jìn)行疊分操作。 區(qū)域編號(hào)壓縮操作疊分操作后各部分面積區(qū)域?qū)⒅匦戮幪?hào)，并可能不是連續(xù)的區(qū)域序號(hào)，為此進(jìn)行面積區(qū)域編號(hào)壓縮操作，GUI：Main MenuPreprocessorNumbering CtrlsCompress Numbers，彈出“Compress Numbers”對(duì)話

18、框，如圖A.22所示。單擊“Pick All”按鈕，對(duì)所有的面積進(jìn)行疊分操作。 圖A.21面積疊分 圖A.22面積區(qū)域編號(hào)壓縮對(duì)話框 重新顯示幾何模型Utility MenuPlotReplot，最后得到管道漏磁檢測(cè)的二維幾何模型，如圖A.23所示。圖A.23管道漏磁檢測(cè)二維幾何模型 保存數(shù)據(jù)結(jié)果單擊工具欄“SAVE_DB”或“Save Analysis”按鈕，上面操作結(jié)果保存在文件“MFL_2D.db”中，可通過(guò)單擊“RESUM_DB”按鈕重新調(diào)用。（4）給各面賦予特性（材料屬性、單元類型）GUI：Main MenuPreprocessorMeshingMesh AttributesPick

19、ed Areas，彈出一個(gè)“Area Attributes”面拾取框，如圖A.24所示。在圖形界面上拾取編號(hào)為“A1”、“A6”、“A8”和“A9”的面，或者直接在拾取框的輸入欄輸入“1,6,8,9”并回車，單擊拾取框上的“OK”按鈕，又彈出一個(gè)如圖A.25所示的“Area Attributes”對(duì)話框，在“Material number”后面的下拉式選擇欄中選取“1”，給空氣區(qū)域和缺陷區(qū)域輸入材料屬性為“1號(hào)材料”，在“Element type number”后面的下拉式選擇欄中選取“1 PLANE13”。重復(fù)上述過(guò)程，A2（永磁體）區(qū)域輸入材料屬性為“2號(hào)材料”，A4（永磁體）區(qū)域輸入材料

20、屬性為“3號(hào)材料”，A3（鋼刷）、A5（鋼刷）和A7（軛鐵）區(qū)域輸入材料屬性為“4號(hào)材料”，A10（管壁）區(qū)域輸入材料屬性為“5號(hào)材料”。查看面區(qū)域?qū)傩粤斜恚篣tility MenuListArea，彈出“ALIST Command”信息窗口，如圖A.26所示。信息窗口列出了所有面區(qū)域的屬性，確認(rèn)無(wú)誤后，單擊信息窗口“File Close”關(guān)閉窗口。 圖A.24面拾取框 圖A.25給各面賦予特性對(duì)話框圖A.26 面區(qū)域?qū)傩粤斜硇畔⒋翱冢?）網(wǎng)格劃分 選擇所有實(shí)體（區(qū)域）: Utility MenuSelectEverything 。 面網(wǎng)格劃分GUI：Main MenuPreprocessor

21、MeshingMeshTool，彈出一個(gè)“MeshTool”網(wǎng)格劃分工具對(duì)話框，如圖A.27所示。在“Mesh”后面的下拉選擇欄中選擇“Areas”，在“Mesh”后面的下拉選擇欄中選擇“Areas”，選中“Smart Size”單選框，下面的滾動(dòng)條移到“Fine”一側(cè)，在網(wǎng)格形狀“Shap”后面的單選框中選擇“Quad”（四邊形），在其下的劃分網(wǎng)格控制單選框中選“Free”（自由劃分），單擊“Mesh”按鈕，彈出一個(gè)網(wǎng)格劃分面拾取框，單擊“Pick All”按鈕，如圖A.28所示。對(duì)面進(jìn)行智能自由網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格形狀是四邊形。網(wǎng)格密度“1級(jí)”（最密）。網(wǎng)格進(jìn)一步細(xì)劃分：在“MeshTool”網(wǎng)

22、格劃分工具對(duì)話框上，在“Refine at:”后面的下拉選擇欄中選擇“Areas”，如圖A.29所示，單擊“Refine”按鈕，彈出如圖A.28所示網(wǎng)格劃分面拾取框，單擊“Pick All”按鈕，彈出如圖A.30所示網(wǎng)格細(xì)劃對(duì)話框，單擊“OK”按鈕完成網(wǎng)格細(xì)化，密度是原來(lái)的2倍。 圖A.27網(wǎng)格劃分工具對(duì)話框 圖A.28網(wǎng)格劃分面拾取框 圖A.29網(wǎng)格細(xì)化選擇對(duì)話框圖A.30所示網(wǎng)格細(xì)劃確認(rèn)對(duì)話框單擊“MeshTool”上的“Close”按鈕，關(guān)閉網(wǎng)格劃分工具對(duì)話框，生成的網(wǎng)格結(jié)果如圖A.31所示。圖A.31生成的有限元網(wǎng)格3. 加載并求解（1）加載永磁體是本模型的勵(lì)磁源，也是系統(tǒng)的載荷，在材

23、料描述時(shí)已經(jīng)對(duì)它的磁特性進(jìn)行了定義。ANSYS會(huì)自動(dòng)將其轉(zhuǎn)化為等效的電流并加載到模型上，所以不用單獨(dú)在施加任何載荷。在空氣邊界上要施加遠(yuǎn)場(chǎng)方向標(biāo)志，對(duì)稱軸在設(shè)定單元特性時(shí)已經(jīng)說(shuō)明，不需要在施加約束。（2）求解運(yùn)算GUI：Main MenuSolutionSolveElectromagnetOpt&Solv，彈出一個(gè)對(duì)話框，如圖A.32所示。單擊對(duì)話框上的“OK”按鈕，開始求解運(yùn)算，直到出現(xiàn)“Solution is done”提示欄，如圖A.33所示，表示求解結(jié)束，單擊對(duì)話框上的“Close”按鈕，完成求解運(yùn)算，彈出求解迭代過(guò)程曲線，如圖A.34所示。圖A.32 電磁場(chǎng)問(wèn)題求解對(duì)話框圖A.33求

24、解結(jié)束對(duì)話框圖A.34 求解迭代過(guò)程曲線4. 查看計(jì)算結(jié)果（1）顯示磁力線分布GUI：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour Plot2D Flux Lines，彈出一個(gè)顯示磁力線的控制對(duì)話框，修改“Number of contour lines”后面文本框中的數(shù)字為“100”（磁力線密度），如圖A.35所示，單擊 “OK”按鈕，出現(xiàn)磁力線分布圖，如圖A.36所示。圖A.35顯示磁力線控制對(duì)話框圖A.36 磁力線分布圖（2）顯示磁矢量圖GUI：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsVector Plot2D

25、Flux Lines，彈出一個(gè)顯示磁矢量的控制對(duì)話框，在“Vector item to be plotted”后面的選擇欄中選取“Flux & gradient”，在其后面的選擇欄中選取“Mag flux dens B”，如圖A.37所示，單擊 “OK”按鈕，出現(xiàn)磁矢量圖，如圖A.38所示。圖A.37 顯示磁矢量的控制對(duì)話框圖A.38 磁矢量圖（3）顯示磁感應(yīng)強(qiáng)度沿路徑分布曲線 定義路徑GUI：Main MenuGeneral PostprocPath OperationsDefine PathBy Location，彈出“By Location”路徑設(shè)置對(duì)話框，如圖A.39所示，在“Defi

26、ne Path Name”輸入欄輸入“path”，單擊 “OK”按鈕，彈出一個(gè)全局笛卡爾坐標(biāo)系中定義路徑點(diǎn)的對(duì)話框，如圖A.40所示。在“Path point number”輸入欄中輸入“1”，在“Location in Global CS”后面的三個(gè)輸入欄中分別輸入“0.184”、“0.205”、“0”，單擊 “OK”按鈕。在定義路徑點(diǎn)的對(duì)話框中，在“Path point number”輸入欄中輸入“2”，在“Location in Global CS”后面的三個(gè)輸入欄中分別輸入“0.184”、“0.255”、“0”，單擊 “OK”按鈕。在定義路徑點(diǎn)的對(duì)話框中，單擊 “Cancel”按鈕，完

27、成距管壁1mm（提離值），距缺陷中心前后個(gè)25mm的路徑“path”定義。圖A.39路徑設(shè)置對(duì)話框圖A.40 定義路徑點(diǎn)的對(duì)話框 在模型上顯示路徑GUI：Main MenuGeneral PostprocPath OperationsPlot Paths，在模型上顯示路徑軌跡，如圖A.41所示。圖A.41在模型上顯示路徑軌跡 在路徑上映射磁感應(yīng)強(qiáng)度GUI：Main MenuGeneral PostprocPath OperationsMap onto Path，彈出“Map Result Items onto Path”對(duì)話框，如圖A.42所示，在“Comp Item to be mapped

28、”后面的選擇欄中選取“Flux & gradient”，在其后面的選擇欄中選取“Mag flux dens BX”，如圖A.42所示，單擊 “OK”按鈕。再打開“Map Result Items onto Path”對(duì)話框，在“Comp Item to be mapped”后面的選擇欄中選取“Flux & gradient”，在其后面的選擇欄中選取“Mag flux dens BY”，單擊 “OK”按鈕。完成在路徑“path”上映射磁感應(yīng)強(qiáng)度徑向分量BX和軸向分量BY。圖A.42 路徑上映射磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)話框 顯示磁感應(yīng)強(qiáng)度沿路徑分布曲線GUI：Main MenuGeneral Postproc

29、Path OperationsPlot Path Item，彈出“Plot of Path Items on Gragh”對(duì)話框，在選擇欄中選取“BX”和“BY”，如圖A.43所示，單擊 “OK”按鈕。出現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度沿路徑分布曲線，如圖A.44所示。圖A.43 磁感應(yīng)強(qiáng)度沿路徑分布曲線選擇對(duì)話框圖A.44 磁感應(yīng)強(qiáng)度沿路徑分布曲線A.2.3 APDL語(yǔ)言命令流實(shí)現(xiàn)ANSYS仿真/FILNAME,MFL_2D,0 /TITLE,MFL_2D *SET,DEPTH,50 *SET,LENGTH,0.020*SET,T,0.008/PREP7 UIMP,1,MURX,1,UIMP,2,MURX,1.05,UIMP,2,MGXX,MGYY,MGZZ,-,UIMP,3,MURX,1.05,UIMP,3,MGXX,MGYY,MGZZ, UIMP,4,MURX,TB,BH,5,15, TBMODIF,1,1,500 TBMODIF,1,2,0.39TBMODIF,2,1,1000TBMODIF,2,2,0.82TBMODIF,3,1,2000TBMODIF,3,2,1.3 TBMODIF,4,1,250