磁法检测合金钢有限元分析

XX大学毕业设计（论文） 题 目： 磁法检测合金钢有限元分析 学 院： 测试与光电工程学院 专业名称： 测控技术与仪器班级学号： 学生姓名： 指导教师： 二Oxx年 六 月磁法检测合金钢有限元分析摘要：合金钢具有优良的特性，在航空、航天、铁道等部门具有广泛的应用前景。由此，对合金钢材料的无损检测的研究就具有非凡的意义。地磁场分布广泛，在实践中有着方便简单无污染的特点。随着科技的发展以及仿真软件研究的加深，地磁场在软件模拟层面上有着实质的使用。本文正是在这一背景下通过Ansys软件分析研究合金钢在地磁场环境下的3D静磁场。首先用Ansys软件建立合金钢模型，施加相同的约束条件。在实验过程中将地磁场分别均匀的施加于合金钢材料上，使用通用后处理器对实验数据进行计算。在建立模型时，改变缺陷的尺寸，观察缺陷尺寸改变后磁感应强度的变化情况。通过分析可知，随着缺陷深宽比的增大，磁感应强度变化越大。利用磁法检测仪对合金钢表面槽型缺陷进行实验，对实验结果分析处理，对比仿真分析所得的磁感应强度曲线图与实验分析所得图形，可以发现Ansys仿真所得的结果实验数据更加精确，缺陷的检出率较高，实验方便、计算精确度高，具有良好的应用前景，这是Ansys仿真分析的价值所在。关键词：地磁场Ansys仿真建立模型 磁感应强度Detection of magnetic steel Finite Element Analysis Abstract:Alloy steel has excellent properties,it has broad application prospects in aviation, aerospace, and railway department .Thus, the study of non-destructive testing on aluminum alloy material with extraordinary significance.Geomagnetic field is widely distributed, which has many characteristics,such as: convenient, simple in practice and no pollution .with the development of science and technology and to enhance simulation software research geomagnetic field in the software simulation level with the use of the substance. This article is steel in the Earths magnetic field research environments 3D static magnetic field in this context analyzed by Ansys software.First with Ansys software to establish steel model, applying the same constraints.Experimental procedure will be applied in a uniform magnetic field, respectively, to the steel material, the processor of experimental data calculated using common.In establishing the model, change the size of the defect, the defect size changes observed after changes in magnetic flux density. Through analysis, along with defects aspect ratio increases, the greater the change in magnetic flux density.Use magnetic detector geometries for steel surface defects experiment, analysis and processing of results,The resulting simulation than the above magnetic induction and experimental analysis resulting graph graph.Ansys simulation can be found in the results of the experimental data obtained more accurate, higher detection rate of defects, easy experiments, computing and high precision, with a good prospect, this is where the value of Ansys simulation analysis.Keyword: The magnetic field ANSYS simulation Modeling MagneticInduction目 录1 引言1 1.1 课题研究背景和意义1 1.2 磁法检测技术国内研究现状2 1.3 磁法检测技术国外研究现状3 1.4 磁法检测技术的不足42 磁法检测技术5 2.1 磁法检测技术的原理及特点5 2.1.1 磁法检测技术的原理5 2.1.2 磁法检测技术的特点6 2.1.3 电磁场的有限元理论6 2.2 地磁场以及其对合金钢的磁化机理8 2.2.1 地磁场的作用8 2.2.2地磁场对合金钢的作用机理9 2.3 合金钢的磁特性10 2.3.1物质的磁性10 2.3.2 合金钢的磁特性11 2.4 磁法检测仪器143 Ansys仿真软件及其应用17 3.1 Ansys有限元分析软件的介绍17 3.2 合金钢模型简述18 3.3 设置单元类型和材料属性19 3.4 建立模型19 3.5 划分网格20 3.6 施加载荷与求解21 3.7 缺陷地磁场静态模拟结果分析214 数据处理24 4.1 仿真结果24 4.2 实验结果25 4.3 对比分析275 结论28参考文献29致谢30地磁场磁法检测合金钢有限元分析1 引言1.1课题研究背景和意义无损检测是利用材料的声、光、磁和电等特性，在不损坏被检对象的基础上，对材料或在役工件探伤及评价来确保材料的安全使用，进一步提高产品的质量的一种检测方法。其原理是：利用材料内部结构存在的异常或缺陷而引起的热、声、光、电、磁等反应的变化，辅助一定的设备，显示相关信号以显示被检对象性能的变化。电磁检测（Magnetism Testing，简称MT)是无损检测方法的一种，可以检测工件表面和近表面缺陷，且探伤灵敏度较高、操作简单、快速，因而，在工业生产及科科研领域获得广泛应用。合金钢的密度低，强度高，耐高温。同时它具有各种优良的特性，被用来加工成型各种材料，在现代化工业中应用较广。众所周知，我国航空产业在飞速发展，同时，现代化进程也在快速进行。合金钢在现代工业中发挥着重大作用，如在航空、航天、石化、核能和动力等领域中，利用合金钢制造的棒材、板材、带材、管材、丝材和锻件等已得到广泛应用。近年来，随着航天、航空发动机的性能不断提高，合金钢作为发动机中的关键材料，在承温能力、持久性能和抗疲劳性能等方面也提出了更高的要求，这样才能满足当今对先进航空发动机高可靠性、高性能、长寿命的需求。由于使用年限、使用环境及外部载荷的影响，合金钢材料表面及内部会出现磨损和损坏，如果不能及时发现并更换，很可能发生航空意外事故，对人民生命及财产完全造成重大危害。因此，对于合金钢材料，怎样快速准确检测出缺陷，及时作出安全评估，一直是一个亟待解决的问题。合金钢的无损检测方法多种多样。目前用于检测合金钢材料的检测方法主要有涡流检测、超声波检测、磁粉检测、射线检测、和漏磁技术等。其中涡流法无损探伤是以电磁感应为基础的。在交变磁场的作用下，不同材料会有不同的振幅，同时也会产生相应的涡流值11。可以通过这些所测的涡流值来探测材料的各种性能以及组织等。用超声波技术来检测材料的各种缺陷的研究趋于成熟，现今阶段，国内外普遍采用压电超声技术来检测板材。超声波探头是压电超声检测技术的核心，但压电探头同时存在着必须使用耦合剂以及难激发横波等缺点。射线法主要用于体积型试件探伤，具有较高的灵敏度。射线对合金钢中面状分布的缺陷探伤灵敏度不高，在裂纹检测2时，必须控制射线束与缺陷延伸面之间的角度，且对于大厚度试件其穿透能力有限，应用成本高、效率低。此外，还有电磁检测、渗透检测检测等常规的无损检测。同时，各种无损检测新技术也广泛用于合金钢的检测中。其中，磁粉探伤具有很多优点，如无损、操作简单方便、检测成本低，对铁磁性材料表面及近表面缺陷检测灵敏度高等。但合金钢是一种非铁磁性材料，无法利用常规的电磁检测方法来检测。研究一种新的电磁检测法显得尤为重要。近年来，随着各种技术的研究，一种新的无损检测技术应运而生，即磁法检测技术3。磁法检测技术通过记录地磁场作用下的金属材料表面的漏磁场信息，可对合金钢微观缺陷和应力集中区进行辨别和定位，对判断重要构件缺陷的形状、位置有重大意义7。金属磁记忆检测技术不但可以检测工件中的宏观缺陷,而且还可以检测微细的微观缺陷及局部应力集中区域,为铁磁性材料早期损伤的评估提供了新的研究思路。在机械、电力、航空、航天、铁道等各种应用广泛，深受检测人员的喜爱。我们需要一种新的电磁检测方法对合金钢进行检测，那么就需要对其三维静磁场进行计算、分析与仿真17。本课题正是在这样的研究背景下对合金钢材料进行三维静磁场分析与仿真4，研究一种新的电磁检测技术，即微磁检测技术。课题研究最后，将仿真结果和实验结果进行对比分析，以得出一些有实际意义的结论。这对促进检测技术的发展具有重要的理论意义和实际应用价值。同时，大大提高了合金钢材料的使用价值以及安全因素。1.2 磁法检测技术国内研究现状相对于国外，我国的研究起步较晚，在原理探讨方面，任吉林、周俊华、雷银照等人从理论和实验上分析了磁法检测的机理，从理论上解释了铁磁材料在应力集中处漏磁场切向分量出现最大值、而垂直分量为零的“零值点”现象。但有些人对此存有疑问，如肖述红经过实验，得出了相反结论：漏磁场过零并非一定有应力集中或缺陷，对此，为了弥补零值点理论的不足，张亚梅认为连续小波变换能量法是很好的方法。丁辉、张寒、李晓红等人对裂纹类缺陷的理论模型进行了计算。清华大学李路明等人关于地磁场分布对磁记忆检测影响的研究结果表明，磁场数值对磁记忆信号有很大影响，而对磁记忆场的分布特征没有本质的影响。高春法、黄昌光、刘伟成等研究过Hp(y)和应力之间的关系，得出Hp(y)和应力近似为线性关系。在仪器研制方面，借鉴国外的技术，国内一些设备制造商开发出了一系列磁法检测仪器，包括通用和专用的设备。此外，自从我国于上世纪90年代末期开始引进金属磁法检测技术以来，清华大学、南昌航空大学、南京燃气轮机研究所、国家质监局锅检研究、厦门爱德森电子有限公司等中心等高校、仪器公司和科研单位，在磁法检测技术的理论分析探究、仪器研制等方面相继开展了研究工作，并将其推广应用在各行各业。总之，相对国外已经成熟应用该技术来说，关于磁法检测技术的定性和定量研究国内学者没有提出有效的研究方法，形成系统的理论。 1.3 磁法检测技术国外研究现状首先对磁法检测技术研究的是俄罗斯Dubov.A.A教授，早在90年代初，他就用专门磁力计测了铁磁构件应力集中区的磁信号，从而进行了磁记忆诊断，并认为磁记忆的产生是源于金属的磁现象物理本质和位错过程之间的关系20。在对应力场进行了简单计算的同时，他也在相关论著中对磁场特征和磁方法进行了论述，在热处理、金属机械性能的质量控制以及管道焊缝的检测等方面，他认为磁记忆检测方法也可适用。通过对无缝钢管表面的随机磁场分布的计算，V.G.Kuleev、A.A.Dubov、V.V.Lopatin等人的研究结果证明，微弱的地磁场是形成管道轴线处垂直方向和轴向磁场随机分布的激励源21。文献作者A.G.Tanasienko等人用磁记忆方法检测化工厂设备时，发现应力集中线附近区域的强度和硬度明显高于其他区域。随着研究的深入，人们发现，磁记忆还可以检测出缺陷甚至材料组织的均匀性。然而，应力集中区或缺陷处的应力大小不是一成不变的，应力释放将影响磁记忆信号的判断。有人曾对内部加压的液化石油气罐的焊缝进行了磁法检测，结果表明，磁记忆信号在0-2MPa之间呈增加趋势，而在2-4MPa间急剧下降。而后者用声发射（AE）技术证实产生了应力释放。另外，Dubov.A.A等认为，对于锅炉管道构件的高温侵蚀问题，磁法检测依然存在问题20。在仪器设备制造方面，基于磁记忆，俄罗斯的Energediagnostika公司研究人员成功研制了TSC系列金属磁法检测仪，与之配套的数据处理软件MM-CYSTEM也开发出来了，并提出了两种快速诊断管道和容器状态的方法。目前该套仪器及软件已在多个国家得到应用和推广。1.4 磁法检测技术的不足虽然目前已经有很多关于磁法检测技术的研究,但是对该方法的机理研究和试验验证缺乏系统的研究工作,还需要做大量的机理探究和试验验证工作。此外，作为一种新的无损检测技术，磁法检测技术仍处于起步阶段：塑性基磁性/应力耦合理论不全面，没有标准来区分宏观裂纹和微损伤，不清楚漏磁信号和缺陷之间的关系等9。一般通过试块做实验来研究磁法检测技术，本文针对地磁场磁法检测技术缺乏仿真研究验证的情况12，提出建立模型并在模型上设置不同凹槽来模拟条形缺陷，得到凹槽处垂直分量和切向分量的数值关系，从而从仿真的角度来研究并验证磁法检测技术，希望对磁法检测技术有所帮助。2 磁法检测技术2.1 磁法检测技术的原理及特点2.1.1 磁法检测技术的原理当被检试件置于均匀的地磁场中，若试件的材质是连续、均匀的，则试件中的磁力线将均匀分布在试件内部，使得试件表面的磁力线分布均匀。若试件中存在缺陷，如图 2.1 所示，其中试件的相对磁导率为，缺陷的相对磁导率为，箭头表示通过该被检试件的某一方向的地磁场分量。当时，缺陷对磁力线产生吸引作用，使得缺陷上下两端靠近试件边界处的磁力线密度变小，试件表面的磁场强度与无缺陷时相比变小，此时缺陷位置的磁场强度产生一个向下突起的异常，如图2.2(b)所示。可以通过对高精度测磁传感器检测磁场强度向上或向下异常变化的分析，就能够确定缺陷的情况。图 2.1 试件被磁化示意图 图 2.2 缺陷处磁场异常变化2.1.2 磁法检测技术的特点磁法检测技术的主要特点：在应力集中区或缺陷处,漏磁场法向分量存在峰-峰值现象,而磁场切向分量只有峰值现象。和现有的检测方法相比,其主要特点是:(1)不需要对材料专门进行磁化,就能对材料进行可靠的检测。(2)对被检测工件检测前不需要对表面进行专门的预处理。(3)现场操作方便快速、高效,检测结果可重复复现，可靠性较高。(4)对于应力集中部位或微观缺陷部位,磁法检测技术能够准确检测出，是到目前为止能够有效的实现铁磁性工件早期诊断的方法之一。2.1.3 电磁场的有限元理论麦克斯韦方程组是Ansys电磁场分析的基本方程组。自然界存在的宏观及微观电磁现象都符合 Maxwell 方程组18。在给定的边界条件下，Maxwell 方程组的积分形式如下所示： （2.1） （2.2） （2.3） （2.4）上述式子中： E 电场强度矢量(V/m，伏特/米)； D 电通密度矢量(C/m2，库仑/平方米)； H 磁场强度矢量(A/m，安培/米)； B 磁通密度矢量(Wb/m2，韦伯/平方米)； J 电流密度矢量(A/m2，安培/平方米)； 电荷密度矢量(C/m3，库仑/立方米)。正确求解Maxwell方程组的前提条件是满足下式： （2.5） 其本质方程为： （2.6） （2.7） （2.8） 上式中： 电容率(F/m，法拉/米)； 磁导率(H/m，亨利/米)； 电导率(S/m，西门子/米)。 对于线性、材质均匀、各向同性的媒质中 、 与都是恒定不变的常数。这里所指的线性，就是介质中各点磁通密度大小与磁场强度大小成正比；材质均匀，就是指介质的成分均匀、磁学性能处处相同；所谓的各向同性，是指在空间沿着不同的方向，介质的导磁性能相同，因此磁通矢量与磁场强度矢量在空间有着一致性。但是在铁磁性材料中，B 与H 之间为非线性关系，的数值是不确定的，是关于磁场强度而变化的函数： （2.9） 式2-7就该改写成： （2.10）对于静磁场问题，随时间变化的因素可以忽略，Maxwell 方程组可以简化为： （2.11） （2.12）采用矢量磁势法，引入矢量磁势 A，定义： （2.13） （2.14) 将上式代入式 2.11 ，可得： （2.15） 式中为材料的相对磁导率，为真空磁导率。2.2 地磁场以及其对合金钢的磁化机理在本实验研究中地磁场作为合金钢的激励源，对其产生激励作用，使合金钢有缺陷和无缺陷处磁场分布不均匀，从而计算出它的磁感应强度大小。2.2.1 地磁场的作用中国人最早开始对地磁场（geomagnetic field）进行研究。早在战国时期，韩非子中就这样记载：“先王立司南以端朝夕”；同时鬼谷子中记载：“郑人取玉，必载司南，为其不惑也”；北宋沈括还发现，地球的磁极和地理的南北极不完全一致。 近几年，通过对地磁场的研究，人们发现地理南北极和地球上各点的磁场方向存在偏角。如下图 2.3 所示,这个角度大约为11.5。大多数学者认为，地磁极的位置是：南磁极Nm位于南半球罗斯海西部南纬703 6、东经1520 ；北磁极Sm位于加拿大北海岸以北北纬 700 5、西经 904 6。并且，地球上各地磁场的场强从赤道到地磁极有规律的变化着。赤道处磁场约为 0.30.4 奥斯特，数值最小，地磁南北极磁场约为 0.7 奥斯特，数值最大。地磁场磁感线的交界点在地面下，而不是在地面上。磁针所指的南北方向之所以是近似是由于地球的磁极与地理南北极并不一致。我们通常用磁偏角、磁倾角、以及磁场强度来确定地磁场的大小以及方向，它们成为地磁场的三要素。地球是一个大的磁体，它的覆盖范围非常的庞大。但是，通常情况下，地磁场的场强是非常微弱。在磁粉检测中，微弱的地磁场通常对构件不造成影响。然而，在磁法检测中，地磁场充当激励源的角色，对构件产生激励作用，在构件表面形成漏磁场，从而使得构件得以检测。地磁场由两个组成部分：变化地磁场、基本地磁场。基本地磁场是地磁场的主要组成部分，来源于地球的内部，处于较稳定的状态，属于静磁场部分。变化地磁场是指地磁场随着时间的变化而变化，主要来源于地球的内部，强度相对比较弱。变化地磁场又可被分为干扰变化地磁场和平静变化地磁场两个类型。图 2.3 地磁场2.2.2地磁场对合金钢的磁化机理铁磁体在大地磁场或载荷的作用下，会产生金属磁记忆，这是由于铁磁体的内部微观结构所造成的。铁磁体在进行热加工工艺处理时，磁性随之消失。在后面的冷却阶段中，铁磁晶体产生两种变化，一方面在铁磁晶体再结晶的过程中，磁性随之产生；同时，由于构件内部不均匀性产生组织结构不均匀的遗传性。实际上，由于地磁场十分微弱，仅仅用地磁场实现对铁磁性的磁化从而达到磁检测的目的是很困难的。铁磁体在地磁场中不断地运动类似于铁磁体在地磁场中不断进行磁化、退磁。从铁磁体的磁化过程可知，这种过程存在着不对称，也就是在不断磁化退磁的过程中会有磁场的积累直到磁场的饱和，从而实现地磁场条件下的地磁检测。我们通过对地磁场环境下的合金钢进行试验检测得到如下图 2.4 所示。图 2.4 在合金钢缺陷处的磁场检测曲线图2.3 合金钢的磁特性2.3.1物质的磁性无论什么材料或者物质都具有磁性，而数值大小不同。将材料放在磁场中时，其周围的磁场发生变化表现出一定的磁性，我们称之为磁化，如图 2.5 所示。一般情况下，我们把能磁化的材料称之为磁介质，包括空气在内，几乎全部的材料都可以被磁化，我们都可将其称为磁介质。材料被磁化后可以对磁场产生一定的影响，根据影响的差异我们将材料分为三类：顺磁性材料、铁磁性材料、抗磁性材料。其中，顺磁性材料对磁场产生正的影响使磁场增强。图 2.5 工件被磁化图顺磁性材料的每一个原子都存在着磁矩，这些磁矩受外磁场的作用产生顺磁。一般情况下，对金属材料来说当材料的顺磁矩大于其在外磁场作用下产生的逆磁矩时，该材料称为顺磁性材料。顺磁性材料的磁化原理为：给材料外加磁场，它克服各种干扰使得磁矩的方向得以改变，如图 2.6 所示。常见的顺磁材料一般为：铝、铁磁金属、稀土金属等。其磁化率一般与磁场强弱无关，取决于材料自身的特性，呈弱磁性。图 2.6 顺磁性材料磁化过程示意图2.3.2 合金钢的磁特性 合金钢材料是顺磁性材料，我国牌号为 GH4169 的合金是由美国牌号为 Inconel 718 的合金仿制而来。1984 年我国开始研制 GH4169 合金大型涡轮盘，并深入研究该合金的组织、成分、工艺及性能，开发出标准、高强、直接时效 3 种锻造工艺，使航空发动机不同部件的使用要求得到了满足。近年来，随着航天、航空发动机的性能不断提高，对于作为发动机中的关键材料 GH4169 也提出了更高的要求，如在承温能力、持久蠕变性能和抗疲劳性能等方面的要求比过去要大大的提高了。这样才能满足当今对先进航空发动机高可靠性、高性能、长寿命的需求。图 2.7 试件上槽型缺陷实物图本文中采用涡轮盘镍基高温合金 GH4169 进行试验，是用于制作航空发动机涡轮盘的主要材料之一，具有良好的焊接性能、加工性能。该合金的元素组成如表 2.1 所示。 元素 CCrNiCoMo 质量分数/%0.0817.021.0 50.055.0 1.02.803.30 元素 Al Ti Nb Mn 其它 质量分数/%0.300.700.751.15 4.755.500.35 0.83 表 2.1 GH4169 合金元素组成 在室温（300K）环境下使用 SQUID 测磁仪测试了被选材料的磁化曲线，图 2.8 是涡轮盘高温合金 GH4169 的磁化曲线，从图中可以知随着外加磁场的增大，磁化量呈线性关系增大。由顺磁性材料的特性可知，顺磁性物质随着外加磁场的增大，磁矩增大；当外加磁场强度一定时，磁矩随着相对磁导率的增大而增大。对于抗磁性物质，当外加磁场强度一定时，磁矩随着相对磁导率的增大而减小。 图 2.8 外加磁场环境下高温合金GH4169的磁化曲线由图 2.8 的磁化曲线可计算出高温合金 GH4169 的相对磁导率，计算方法如下： （2.16） （2.17） （2.18） （2.19）上述公式中， M高温合金 GH4169 的体积磁矩； 高温合金 GH4169 的磁化率；H磁化磁场强度； 高温合金 GH4169 的质量磁矩；V高温合金 GH4169 的体积； m高温合金 GH4169 的质量； 高温合金 GH4169 的密度；高温合金 GH4169 的磁导率；真空磁导率；高温合金 GH4169 的相对磁导率。 图 2.9 地磁场环境下高温合金GH4169的磁化率曲线 使用公式 2.18 结合图 2.8 可计算出高温合金 GH4169 的磁化率，其磁化率曲线如图2.9 所示，由图可知高温合金GH4169 的磁化率介于 0.023720.02623 之间，根据公式 2.19 可推导出其相对磁导率介于 1.023721.02623 之间，表现为顺磁性材料。 2.4磁法检测仪器 为了实现被检试件的法向磁场强度测量，制作了微磁检测系统。该系统由阵列式测磁探头、数据采集设备和计算机组成。系统原理如图 2.10 所示。 图 2.10 微磁检测信号采集系统原理图 测磁探头选用自主研发的高精度磁通门传感器，微磁检测系统的主要技术指标： （1） 测量范围：-250000nT+250000nT； （2） 分辨率：0.2nT; （3） 采样频率：最高可达 1000Hz； （4） 稳定性：8 小时， 5nT；120 小时， 50nT。 测磁探头对被检试件进行检测时无需接触，有效检测范围从探头前沿向外以45扩散，所以探头的有效检测区域与提离高度的平方成正比例关系，如图 2.11 所示，图中的阴影部分表示探头的有效检测区域。但随着提离高度的增加探头的检测灵敏度下降。 图 2.11 测磁探头的有效检测区域示意图对涡轮盘进行探伤时，考虑到涡轮盘工件表面形状的复杂性，微磁检测探头可根据工件表面的实际情况及检测需要进行排列组合。图 2.12 为阵列式微磁检测探头，由微磁检测探头和探头安装架两部分组成。微磁检测探头以锯齿型进行排列，每个探头与相邻探头之间的间距为 12mm，探头之间保持一定距离是为排除探头之间的互相干扰。根据检测需要，可在探头安装架上安装一个提离高度较高的探头，用于测量环境磁场。 图 2.12 阵列式微磁检测探头 微磁检测系统由阵列式测磁探头、微磁探伤仪和上位机组成，如图 2.13 所示。测磁探头和微磁探伤仪之间用屏蔽线进行连接，实现电信号的传输，防止受外界的干扰。微磁探伤仪和上位机通过网线进行连接，实现仪器的控制及数据的传输。 图 2.13 微磁检测系统3 Ansys仿真软件及其应用本次毕业设计通过建立一个合金钢模型，并对其施加地磁场载荷，进行仿真过程，最终得出仿真结果和数据处理结果，对仿真结果和数据处理结果进行分析，检验仿真结果的正确性，并分析不同缺陷尺寸对仿真结果的影响13。为了表述方便，在下文中凹槽缺陷长度用L表示，宽度用W表示，深度用D表示，检测探头提离值用T表示。3.1 Ansys有限元分析软件的介绍Ansys软件是一种应用十分广泛的通用有限元分析软件，是融结构、流体、热学、电磁学、声学于一体的大型软件，功能十分强大完备，能够进行简单线性静态分析和复杂非线性动态分析，可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答，其先进的多物理场耦合技术在现今世界上首屈一指1。ANSYS 主要包括三大模块8： 1、前处理模块 前处理模块的实质是为麦克斯韦方程组及相关方程组设置参数和初始条件。模块的主要功能集中在建立几何模型、定义及配置材料的属性、划分单元网格、设定边界条件，为漏磁有限元计算做准备。模型包含有点、线、面、体等元素，这些元素称为边界条件的施加参照。经过剖分成单元后，用以存储结果的，同时剖分的详细程度决定着同一次计算结果数据的丰富程度。ANSYS 提供了丰富的模型剖分方式，如自由化分、映射划分等，这些保证了计算的可靠性和操作的便捷性，使得各种形状的几何模型都能得到有效剖分。 2、分析计算模块 分析计算模块包括结构分析（包括线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化能力。 3、后处理模块 ANSYS 有两个后处理器，即通用后处理器和时间历程后处理器，可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式表示或输出，能够满足各种人员及工程应用的要求。不管分析的问题多复杂，其求解的基本步骤是：（1）建模及网格划分；（2）施加边界条件及载荷；（3）进行求解。但在不同的工程应用中，由于涉及的问题大多数很复杂，具体步骤就会相差很大。利用Ansys数值模拟是分析电磁场分布与缺陷几何结构和物理特征之间定量关系的有效方法5。对于数值模拟，漏磁信号所具有的一些基本特征需要定性甚至定量的认识15。在定量化研究中，早期损伤中的塑性阶段是主要考虑的部分，不仅有材料磁导率的改变，并且在局部塑形区会形成矫顽场，对试件内部和外部的磁感应强度B和磁场强度H都会造成影响，因此展开数字模拟计算具有重要意义。3.2 合金钢模型简述模型简述：如图 3.1 所示，我首先建立一个1504525mm的合金钢六面体模型，进行有限元仿真。在六面体表面有三个槽型缺陷，三个缺陷保持平行，长度都为9mm，宽度分别为为6mm、4mm、2mm，深度为8mm。在六面体外部施加1705040mm的空气包裹层，以模拟大气层。图3.1 模型缺陷位置图3.3 设置单元类型和材料属性进行Ansys仿真时，需对模型中的各个物理实体定义材料属性，其中合金钢相对磁导率1.0256，空气的相对磁导率定义为1，建模中使用的是SOLID96号单元。3.4 建立模型通过GUI操作，一步一步建立起合金钢六面体，并建立3个槽型缺陷，然后建立空气模块，如图 3.2 所示，由于空气模块完全包围合金钢六面体，我们以线的形式来观看模型的构成。图3.2 工件及空气膜模型图3.3 工件及空气膜模型（俯视图）3.5 划分网格网格划分比较繁杂，其基本步骤为：（1）设置单元属性。（2）为实体模型分配单元属性。（3）通过网格划分工具设置网格划分属性。（4）对实体模型进行网格划分。在建立模型后，网格划分的质量好坏直接决定结果的正确与否。首先,根据自己的模型考虑是采用自由网格划分还是映射网格划分。其中，自由网格划分对实体模型无特殊要求，无需满足特定的规则。而映射网格划分有非常严要求，首先，实体模型必须形状规则对称；此外，还必须使用形状规则的单元划分，对于面对象，要使用三角形面单元或四边形面单元，对于体对象只能使用六面体单元。其次，我们应该考虑网格划分的密度。如果网格过于稀疏，那么所得到的节点解就少，结果可能偏差很大，甚至是错误的。如果网格划分太细密的话，在仿真过程中将会耗去很多的计算时间，浪费许多的计算机资源。所建模型太大时还甚至导致系统死机。为防止出现此类问题，在划分网格时需要考虑网格划分密度问题。图 3.4 为三维有限元模型的网格划分图示。，图 3.5 为空气膜网格划分图。图3.4 合金钢网格划分图图3.5 空气膜网格划分图3.6 施加载荷与求解边界条件添加于模型的空气外表面。有磁力线平行和磁力线垂直两种边界条件。在静态三维磁场分析中，根据运用磁标势法，设置两侧磁场强度分别为0和39.8A/m来模拟地球磁场作用，等于在模型的空气外表面设置了磁力线平行边界条件。而此状态下自然满足磁力线垂直边界条件。求解依据麦克斯韦方程组，联立方程，根据模型复杂程度的不同，计算结果的得出的所需时间也有差别，从几秒得到结果到甚至几天的时间，计算机的性能影响很大。我们的研究采用波前直接求解器进行求解，此种求解器适合一般问题的求解。3.7 缺陷漏磁场静态模拟结果分析ANSYS 的后处理模块提供了多种查看结果的方法。对于磁场的计算，它的主自由度是矢量磁位 A，磁感应强度B是由主自由度计算得到的，通常被称为导出数据。在计算出模型每个单元节点的主自由度后，会利用相应的物理公式计算各单元节点的导出数据。为了更清楚的查看仿真的计算结果，局部放大观察缺陷附近的磁场分布。磁位移矢量图如图 3.6 所示，磁感应强度B分布云图如图 3.7 和图 3.8 所示。图3.6 磁位移矢量图图3.7 磁感应强度B分布云图图3.8 磁感应强度B分布云图（俯视图）由上图所示，我们可以看到仿真结果与分析所得一致，磁感应强度各处不同。由此，我们可以利用所得数据对其进行分析处理，观察分析缺陷大小对检测难易程度的影响。4 数据处理 4.1 仿真结果由上述计算结果知，每个模型共得出19组数据。本研究环节中，每组模型中，我们可以从每19组数据中选取不同的数据，具体所选数据视所建模型情况而定。应用MATLAB软件作出二维曲线图，在图中横向坐标为各个模型的长度，纵向坐标为所对应的磁感应强度值。模型：在上述命令流操作中，数据是在x方向上取得的。具体操作是：在距离合金钢模型下边20mm处开始取值，每隔0.2mm取一组数据，共得19组数据值。由于模型中的三个槽型缺陷是中间间距相同，且三个槽型缺陷的长度和深度都相同，所以所取的数据对位置无太大影响，任意选取三组数据，所得结果如下：图4.1 合金钢不同位置处模型的磁感应强度曲线观察分析上述曲线图，分别在20mm-35mm、75mm-90mm、130-145mm处磁感应强度值发生较大变化，变化处的曲线呈V字形变化趋势，在其余位置处磁感应强度几乎保持在2.5011106nT大小不变。根据所建模型可知，磁感应强度变化处的位置刚好处于缺陷区域。产生上述结果是相对磁导率的不同所造成的。合金钢材料为顺磁性材料，槽型缺陷处的相对磁导率相当于空气的相对磁导率。在本课题研究中，我们设置的合金钢的相对磁导率略高于空气的相对磁导率。由于交界处的相对磁导率的不同，槽型缺陷会对磁力线产生略微的排斥，这使得槽型缺陷上下两端磁力线分布变密集，即有缺陷处和无缺陷处的磁感应强度值不同。这就是槽型缺陷交界面处会突然产生向上异常的原因。在整个缺陷处，根据漏磁场原理可知，磁感应强度急剧减少。即整个磁感应强度曲线图发生变化。观察模型的磁感应强度曲线图，在这个模型中每个槽型缺陷的长度和高度都是一致的，宽度逐渐变窄。由图可知，随着缺陷宽度的逐渐变窄，磁场变化的跨度逐渐变小。这是因为随着宽度的逐渐变窄，缺陷处所缺失的金属量逐渐减弱，使得槽型缺陷上下两端的磁力线变化逐渐缓慢，由此磁场的变化异常范围逐渐变小。观察磁感应强度大小可知，随着槽型缺陷宽度的逐渐减少，磁感应强度减弱情况逐渐增强。这是因为，随着缺陷深宽比的增强，缺陷处的磁力线更为密集，所以磁感应强度减弱情况逐渐增加。以上分析显示，槽型缺陷的尺寸对感应强度有很大的影响，深宽比越大，磁感应强度变化越大。 4.2 实验结果 在本研究环节中我们采用牌号为GH4169的合金钢进行实验分析，GH4169合金是一种以面心立方Ni和体心四方析出强化的镍-铬-铁基变形高温合金。用2005060mm的合金钢材料进行实验研究，我们首先对一块没有预置缺陷的板材进行检测，检测所得的信号图如下图 4.2 所示。观察下面的图形，图形所示的曲线并不是完全平滑的，在0mm-60mm处的曲线较为光滑，60mm以后的曲线波动稍大。造成这样的原因有两种：一种是材料组织本身并不是那么均匀；另一种是扫查时受到周围磁场的干扰。观察图形可以发现，这些波动范围较小不到10nT，一般情况下磁感应强度差值超过10nT我们可以认为此部分材料存在缺陷。因此这些小波动是正常的情况变化而引起，而不是由缺陷所导致的。图4.2 合金钢无缺陷处的原始信号图在合金钢上，人为的制造三个个长都为5mm，宽分别为6mm、4mm、2mm，深都为3mm的表面槽型缺陷，用阵列式探头对缺陷进行检测，所得数据经分析处理可得如下图 4.3、图4.4、图4.5所示：图4.3 合金钢6mm缺陷处的原始信号图图4.4 合金钢4mm缺陷处的原始信号图图4.5 合金钢2mm缺陷处的原始信号图4. 3 对比分析由上面所有研究结果可知地磁场环境下合金钢的静磁场强度非常的小，场强变化可以达到纳特级别。对比上面仿真分析所得的磁感应强度曲线图与实验分析所得图形，我们可以发现Ansys仿真所得的结果实验数据更加精确，我们可以明确的看出不同位置处场强大小的细微变化。缺陷的检出率较高，这是Ansys仿真分析的价值所在。在实际检测中这种方法具有现实可能性。在槽型缺陷处的相对磁导率不同，这使得磁力线疏密程度发生变化从而磁感应强度改变，图中显示了磁感应强度值的变化。在研究中，地磁场均匀的施加在合金钢表面，由于缺陷存在磁感应强度值也会有相应的变化，这个正常现象说明在地磁场检测下的重复性好。对仿真结果和实验结果进行分析，结果显示Ansys仿真软件具有精确度高，实验方便、计算精确度高、缺陷检出率高等优点，具有良好的应用前景。 结论本文是以仿真形式对地磁场环境下合金钢材料的3D静磁场进行研究的。在实验中设置一个六面体模型进行有限元仿真分析，改变模型上槽型缺陷的尺寸。施加均匀的地磁场，使用通用后处理器POST1对其进行计算，将所得数据进行处理分析。使得微弱磁场强度人工缺陷的检测更加容易，这对于改进现有的检测方法有着现实意义。通过对本次课题的研究，可以得出以下几个结论： （1）通过对合金钢磁特性的分析，可知合金钢为顺磁性材料，其相对磁导率略高于空气的相对磁导率； （2）将计算所得的数据用MATLAB进行处理，可以更加直观的显示缺陷处磁感应强度的变化，更容易分析处理； （3）影响磁感应强度的另一因素是缺陷的深宽比，深宽比越大磁感应强度变化越大，缺陷越容易检测； （4）Ansys仿真软件具有实验方便、计算精度高等特点，在材料检测方面会起到越来越大的作用，以大大缩短计算周期，提高计算精度，减少成本。Ansys仿真软件通过对缺陷、模型、探测器的仿真达到了快速完善检测方法，对检测技术和仪器的改进起到一定的作用。同时, 针对实际情况, 可以通过有效的模拟解决各类问题，以节省时间和资源。33参考文献1张红