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船用钢板漏磁的有限元分析

发布于:2016-11-28 20:48
有限元分析

      船用钢板在造船工业中应用广泛,若钢板存在缺陷将严重影响船舶运行的可靠性。为了保证船舶飞行的安全,延长船舶的使用周期和寿命,必须对船用钢板进行役前和在役定期检测,以便及时修复或更换存在缺陷的构件。目前,对船用钢板检测的技术主要有超声检测、涡流检测、射线检测、渗透着色、磁粉检测和漏磁检测等。漏磁检测的原理是钢板在外加磁场的作用下磁化,材料内的缺陷(如裂纹、腐蚀),磁导率远比铁磁材料本身要小很多,局部磁阻增加,这样就致使磁力线发生弯曲,部分磁力线泄漏出材料表面,产生扩散漏磁场。利用磁敏感元件探测漏磁场,即可获取缺陷特征信息。漏磁检测法不需要藕合剂,不受表面油污及非磁性杂物的影响,检测速度快、灵敏度高、可靠性好,且检测结果能提供金属材料表面腐蚀缺陷和裂纹的状态信息。
      Lord等首次使用有限元分析的方法对漏磁检测时的磁场分布进行计算,得出了缺陷大小和漏磁信号之间的关系。 Atherton则计算了输油管道内外壁缺陷对漏磁信号的影响,并进行了相关验证,以计算结果作为选择磁化方式的依据。Mitsuaki提出了漏磁检测的有限元分析时磁骊的建模方法。然而,国内外大部分研究是以二维模型为基础,且进行了一些简化,如设定磁骊(即衔铁)的磁导率为常数。本研究将通过构建三维模型来进行漏磁检测的有限元分析。
      钢板漏磁检测传感器主要由励磁装置、磁敏元件和驱动装置等构成。
      励磁装置由调节螺栓、衔铁和永久磁铁等组成。永久磁铁、衔铁、磁化间隙与被测钢板一起构成主磁路,实现对钢板的磁化。为提高励磁磁路性能,选用高剩磁、高矫顽力的钱铁硼稀土永磁为材料。在励磁磁路中衔铁来改变磁力线的方向,从而能够减小磁回路系统的磁阻,能够增大关键零部件的磁通密度。在恒定磁场的磁路设计中,衔铁材料可选用工业纯铁和低碳钢,使被测钢板内的磁感应强度大于1.4T,以保证较高准确率。磁敏元件实现磁电信号的转换,可以采用线圈、霍尔器件、磁敏二极管、磁敏电阻、磁通门、巨磁阻传感器等。目前比较常用的传感器元件为线圈和霍尔器件。
      为了给测试系统的检测性能和缺陷标定,加工制作了标准试件进行实验。试件采用厚度为10 mm的普通低碳钢板,板上加工5处标准伤,分别为:20 %深,8 mm宽的长通槽和20 % ,  40 %,60 %,80%深的球形凹陷。试件标准伤具有较好的代表性,与船用钢板的腐蚀和裂纹缺陷相似。实验中将标准试件缺陷面向下放置,同时检测系统置于板面,依次检测以上各种缺陷。
      经简化后的传感系统模型。模型关于X-Z面和Y-Z面对称,故只取其1/4模型进行说明。被测钢板置于传感系统下方,永磁体采用钱铁硼材料,与钢质支架共同构成了磁化装置。与支架紧贴面为N极,与被测钢板靠近面S极。由永磁体、被测钢板和钢质支架构成了磁回路,可将被测钢板磁化并达到检测要求。
      船用钢板的有限元网格模型中整体的钢板部分采用立方体单元进行映射网格划分。由于模型关于X-Z面和Y-Z面对称,故在X-Z面和Y-Z面的单元节点上施加了对称边界条件。空气层则采用四面体单元进行自由划分,且在空气边界上施加了远场边界条件。
      对传感系统的有限元模型,施加相应的边界条件,进行静态电磁场分析,可以得到磁力线和磁感应强度的分布情况。
      在钢板的中间部位,磁感应强度可达到1.4T,满足了漏磁检测的要求。钢板中间部位的磁场分布比较均匀,呈近似的均恒磁场状态,如果钢板中存在缺陷,则部分磁力线将由空气中通过,传感器正是检测泄漏到空气中的磁场变化来判断此处是否存在缺陷。
      漏磁检测实验在钢板上进行。实验仪器为9VI ART-2004智能型多功能电磁检测仪,16通道双线圈差动式漏磁传感器。实验所得漏磁信号曲线。由于采用的线圈式传感器对磁通密度的变化率敏感,且是双线圈信号值相减取其差动量,故体现在实际检测信号上为两波峰一波谷。在无缺陷处,信号为一条平整的直线,缺陷处,信号幅值产生正负跳变。试件上的5种模拟缺陷在检测信号上都有体现。如2 mm深的长通槽在16个通道中均有信号突变。其他球形凹陷信号在第9通道最为显著,其他通道依次递减,说明缺陷的中心位置处于第9通道的覆盖面。
      漏磁检测用于船用钢板缺陷探伤,具有速度快、灵敏度高、可靠性好的优点。本研究利用ANSYSApp进行船用钢板漏磁检测的三维有限元分析,得出了船用钢板磁化后的磁场分布状态,满足了漏磁检测的要求。同时,计算出缺陷与磁场分布之间的对应关系曲线,根据磁感应强度对缺陷的位置和基本特征进行判断。实验结果证明有限元计算的结果是可靠的。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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