戴 光，趙 天，王學(xué)增，楊志軍

（東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，大慶 163318）

漏磁檢測原理是建立在鐵磁性材料高磁導(dǎo)率特性基礎(chǔ)上的，因而不適用于非鐵磁性金屬的檢測。漏磁檢測法具有不需要耦合，檢測速度快，高效能、無污染，檢測靈敏度高，檢測缺陷類型多，可靠性好，可實(shí)現(xiàn)對缺陷的量化等特點(diǎn)，在儲(chǔ)罐底板和管道的裂紋及腐蝕檢測方面發(fā)揮了重要的作用［1］。

目前常用的勵(lì)磁方式有直流線圈勵(lì)磁和永久磁鐵勵(lì)磁，直流線圈勵(lì)磁往往需要較大的磁化器，才能使試件磁化飽和從而缺陷處產(chǎn)生足夠的漏磁場；而永久磁鐵的勵(lì)磁能力受到限制，不能對大部件進(jìn)行磁化，也不容易量化處理［2］。通過將直流線圈勵(lì)磁法和永久磁鐵勵(lì)磁法整合成復(fù)合勵(lì)磁法可以有效解決以上問題［3］。筆者只對此進(jìn)行理論分析，后續(xù)將會(huì)進(jìn)行復(fù)合勵(lì)磁漏磁檢測試驗(yàn)進(jìn)而驗(yàn)證理論部分所得出的結(jié)論。

1 復(fù)合勵(lì)磁漏磁檢測原理

漏磁檢測是利用磁現(xiàn)象來檢測鐵磁材料工件表面及近表面缺陷的一種無損檢測方法。筆者采用永久磁鐵和直流電磁相結(jié)合的復(fù)合勵(lì)磁源磁化被測工件，復(fù)合勵(lì)磁漏磁檢測原理如圖1所示。調(diào)節(jié)電流方向，使線圈產(chǎn)生的磁力線與永久磁鐵產(chǎn)生的磁力線方向相同。當(dāng)被測鋼板沒有缺陷的時(shí)候，磁力線大部分從鋼板內(nèi)通過，沒有產(chǎn)生漏磁場；當(dāng)被測鋼板上有缺陷的時(shí)候，磁力線經(jīng)過缺陷時(shí)，磁力線發(fā)生彎曲，會(huì)有一部分漏出表面［4］，這時(shí)通過在被測鋼板上方添加磁敏傳感器霍爾元件，采集到漏出表面的磁力線并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)反饋到計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上通過采集軟件呈現(xiàn)出帶有漏磁信號(hào)的帶狀圖和波形圖［5］。

圖1 復(fù)合勵(lì)磁漏磁檢測原理圖

2 復(fù)合勵(lì)磁漏磁檢測ANSYS仿真分析

筆者應(yīng)用ANSYS軟件對復(fù)合勵(lì)磁磁化結(jié)構(gòu)、被測試件及周圍空氣進(jìn)行建模，其中被測試件為帶缺陷的平板試件，根據(jù)復(fù)合勵(lì)磁漏磁檢測特點(diǎn)，對磁化結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一些改進(jìn)，把極靴的高度加長，這樣解決了纏繞線圈和傳感器盒的高度和超過原有的極靴高度等問題。對設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行3D仿真分析，以板厚為10mm平板試件為例，具體步驟如下：

（1）有限元模型的建立及單元類型的選擇

建模采用實(shí)體建模方式建立復(fù)合勵(lì)磁漏磁檢測有限元模型，其主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了應(yīng)用RACE命令建立跑道型線圈，選擇8節(jié)點(diǎn)的Solid96單元作為ANSYS分析的單元類型。

圖2 復(fù)合勵(lì)磁漏磁檢測有限元模型

（2）賦予材料屬性、劃分網(wǎng)格

每種材料都有其特定的特性，材料特性可以是線性的也可以是非線性的。線性材料通過相對磁導(dǎo)率MURX、MURY、MURZ來定義，非線性材料則是通過B－H 曲線來描述其導(dǎo)磁特性。其中：空氣相對磁導(dǎo)率為1.0；銜鐵、極靴和被測容器三者都為非線性材料，需要設(shè)置相應(yīng)的B－H 曲線；永磁鐵作為整體結(jié)構(gòu)的勵(lì)磁源，需要根據(jù)其勵(lì)磁方向定義其矯頑力方向和大?。痪€圈采用RACE命令建立非實(shí)體模型，根據(jù)勵(lì)磁方向定義電流。

采用映射網(wǎng)格劃分把模型劃分成規(guī)則的六面體若干份，可有效控制模型中各部分的網(wǎng)格精度，保證較高的計(jì)算精度［6］。

模型的網(wǎng)格劃分如圖3所示，其中線圈為RACE激勵(lì)載荷，不用劃分；磁化結(jié)構(gòu)周圍空氣設(shè)置為透明，以便于觀察模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖3 復(fù)合勵(lì)磁磁化結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分圖

（3）加載激勵(lì)載荷與邊界條件

模型中載荷是兩塊永磁鐵和直流永磁線圈，永磁模型部分無需再進(jìn)行加載；電磁模型部分建立RACE跑道型線圈加載；采用的棱邊單元法的邊界條件只需設(shè)置磁力線平行于整體模型表面即可，磁力線垂直邊界條件自然滿足。

（4）求解計(jì)算和后處理

圖4 整體結(jié)構(gòu)和去除空氣層（缺陷處）的復(fù)合勵(lì)磁磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

由于模型為單連通鐵區(qū)，所以采用DSP法對模型進(jìn)行求解計(jì)算。通過軟件的計(jì)算求解，得出復(fù)合勵(lì)磁磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖。圖4為復(fù)合勵(lì)磁整體結(jié)構(gòu)磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖和去除空氣層（缺陷處）的復(fù)合勵(lì)磁磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖。在ANSYS軟件的后處理中能以不同形式得到平板缺陷處漏磁場分布。提取鋼板表面1mm高度的漏磁場分布，可以得到該高度上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場強(qiáng)度H。

3 漏磁信號(hào)影響因素分析

在進(jìn)行模擬的過程中，采用10mm的Q235材質(zhì)鋼板作為研究對象，應(yīng)用控制變量法改變單一變量，從而得到一系列關(guān)于缺陷深度和寬度方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度B。下面為改變?nèi)毕莩叽绲臄?shù)據(jù)分析。

（1）缺陷深度對復(fù)合勵(lì)磁漏磁檢測信號(hào)的影響

為分析缺陷深度對復(fù)合勵(lì)磁漏磁檢測信號(hào)的影響，建立板厚為8mm的平板復(fù)合勵(lì)磁漏磁檢測模型，分別建立缺陷直徑為4mm，缺陷深度為壁厚的20%，40%，60%，80%的圓柱形缺陷，提取路徑上的磁場參量，得到相同直徑、不同深度缺陷上方1mm處的漏磁場水平分量Bx與垂直分量By的分布曲線，如圖5所示。

（2）安匝數(shù)對復(fù)合勵(lì)磁漏磁檢測信號(hào)的影響

建立深度為3.2mm，直徑為4mm的圓柱形缺陷，改變安匝數(shù)為6 000，8 000，10 000，12 000A來分析安匝數(shù)對漏磁信號(hào)的影響。同樣提取缺陷上方距離平板頂部1mm處的漏磁場水平分量Bx與垂直分量By的分布曲線，如圖6所示。

（3）漏磁場峰－峰值隨缺陷深度的變化

圖7為安匝數(shù)10 000A，缺陷直徑2mm，深度從20%～80%變化的漏磁場信號(hào)峰－峰值隨缺陷深度的變化曲線。從圖中可以看出，隨著缺陷深度的增加，Bx，By峰值增量基本相同。

4 結(jié)論

（1）通過應(yīng)用ANSYS有限元軟件進(jìn)行仿真分析，建立了復(fù)合勵(lì)磁勵(lì)磁結(jié)構(gòu)模型，為后期制作復(fù)合勵(lì)磁漏磁檢測儀的研制提供理論支撐。

（2）平板腐蝕缺陷深度對復(fù)合勵(lì)磁漏磁信號(hào)有影響，在一定范圍內(nèi)，其他變量為定值時(shí)，缺陷深度增加時(shí)，漏磁場信號(hào)增強(qiáng)，且近似成線性關(guān)系。

（3）安匝數(shù)的改變會(huì)影響復(fù)合勵(lì)磁漏磁信號(hào)，在其他條件均不變的前提下，增大安匝數(shù)，漏磁場信號(hào)增強(qiáng)。

圖5 不同深度缺陷處的漏磁場

圖6 不同安匝數(shù)下缺陷的漏磁場

圖7 寬度，深度方向漏磁信號(hào)峰－峰值隨缺陷深度變化圖

［1］ 戴光，李偉，張穎.過程裝備安全管理與檢測［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：241－247.

［2］ 王朝華，鄧瑞.漏磁檢測中的磁化技術(shù)［J］.甘肅科技，2007，23（2）：109.

［3］ 朱孝勇，程明，趙文祥，等.混合勵(lì)磁電機(jī)技術(shù)綜述與發(fā)展展望［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，23（1）：30－32.

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