金属管道瞬变电磁检测有限元分析

XX 大学 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题题目目： 金属管道瞬变电磁检测有限元分析金属管道瞬变电磁检测有限元分析 学学院：院：测试与光电工程学院测试与光电工程学院 专业名称：专业名称：测控技术与仪器测控技术与仪器 班级学号：班级学号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 二二 Oxx 年年 六六月月 金属管道瞬变电磁检测有限元分析金属管道瞬变电磁检测有限元分析 摘要：众所周知，金属管道已被广泛应用于石油、天然气、水等资源运输，但是随 着管道使用年限的增金属管道的侵蚀已不可避免。 侵蚀将会极大的缩短管道的使用年 限。瞬变电磁法利用瞬变电磁手段评估金属管道的剩余壁厚，是一种建立在电磁感应 原理基础上的时间域人工源电磁探测方法。因为瞬变电磁检测法具有简单易行、信息 量丰富、耦合噪声小等优点，并可实现在役、非开挖检测，瞬变电磁检测法已经被越 来越多的应用于埋地金属管道检测。 ANSYS 是专业的有限元分析软件， 其功能强大在多领域多变工程问题的求解有着 广泛的应用。它可以非常方便的对各种实际中的工程问题进行建模和求解，并可以直 观地体现目前还不易观测、任何试验都无法看到的发生在构造内部的一些物理现象， 且 ANSYS 的仿真结果与实际十分接近， 于是可以利用 ANSYS 仿真瞬变电磁法对金属管 道的检测，为瞬变电磁检测金属管道的机理提供依据。 关键词：瞬变电磁检测，金属管道，有限元分析，ANSYS MetalMetal pipespipes FiniteFinite ElementElement AnalysisAnalysis ofof TransientTransient ElectromagneticElectromagnetic DetectionDetection Abstract:As we all know, the metal pipe has been widely used in petroleum, natural gas, water, transportation and other resources, but with the age increase pipeline corrosion of metal pipes have been inevitable. Erosion will greatly shorten the life of the pipeline. TEM method using transient electromagnetic means to assess the remaining wall thickness of metal pipes, is based on the principle of electromagnetic induction time domain electromagnetic method for detecting an artificial source establishment. Because transient electromagnetic detection method is simple, informative, coupling noise, etc., and can be implemented in-service, non-excavation detection, transient electromagnetic detection method has been used more and more buried metal piping testing. ANSYS is a professional finite element analysis software, its powerful and varied in many fields of engineering problems to solve with a wide range of applications. It can be very convenient for a variety of practical engineering modeling and solving problems, and can be directly reflected yet easy observation, we can not see any trial takes place in the internal structure of a number of physical phenomena, and ANSYS simulation results of the actual very close, so you can use ANSYS simulation of transient electromagnetic method to detect metal pipes, provide the basis for the mechanism of transient electromagnetic detection of metal pipes. Keywords:Keywords: Transient Electromagnetic method, Metal pipes, Finite Element Analysis， ANSYS 目目录录 1绪论 1.1瞬变电磁检测发展及研究现状.（1） 1.2埋地金属管道瞬变电磁检测法的特点和技术优势.（2） 2瞬变电磁理论分析 2.1瞬变电磁法检测基本原理.（4） 2.2时域电磁场的理论基础.（4） 2.2.1 微分形式的麦克斯韦方程（4） 2.2.2 积分形式的麦克斯韦方程和电磁场的边界条件（5） 2.3瞬变电磁检测法信号的分析.（7） 2.3.1 瞬变电磁信号的动态范围（7） 2.3.2 瞬变电磁信号的衰减特性和频带（7） 2.3.3 瞬变电磁信号的取样（8） 2.4瞬变电磁法常用的激发场波形.（8） 3有限元分析方法及 ANSYS 简介 3.1有限元分析方法简介.（10） 3.2有限元分析法的特点.（10） 3.3ANSYS 简介（10） 4埋地金属管道的 ANSYS 三维仿真分析 4.1创建埋地金属管道三维模型的物理环境.（12） 4.2三维仿真模型的建立.（13） 4.3三维仿真模型的网格划分.（16） 4.3施加载荷及边界条件.（17） 4.4求解及后处理过程.（18） 4.5三维管道模型仿真结果分析.（20） 4.6不同壁厚的金属管道仿真结果分析.（21） 5总结 参考文献 （25） 致谢 （26） 1 金属管道瞬变电磁检测有限元分析金属管道瞬变电磁检测有限元分析 1 1 绪论绪论 1.11.1 瞬变电磁检测发展及研究现状瞬变电磁检测发展及研究现状 瞬变电磁检测技术的应用始于 20 世纪 30 年代， 当时瞬变电磁检测法是由前苏联 科学家 1提出被用于完善解决地质结构问题。从这以后前苏联科学家经过近三十年坚 持不懈的努力，TEM（Transient Electromagnetic Method)的一维正演和反演被成功推 到出。从这以后 TEM 发展十分迅速，随着瞬变电磁检测法的诠释理论和实践理论的建 立，瞬变电磁检测法已经进入了实用阶段 2。 国外，自从二十世纪 70 年代以来，通过利用瞬变电磁法，前苏联科学家开展了 大量的实验工作。除此之外， 大洋洲和北美等国的科学家也在瞬变电磁的理论和实践 两方面做了研究，这使得瞬变电磁法的应用得到了迅速的发展。此时，TEM 已经在 军事检测、考古检测、油气勘探、工程勘察和环境调查等多方面有着广泛的应用 34； 与此同时，在 TEM 仪器设备方面也取得了很大的成功，一些著名的全球仪器仪表公 司也先后推出了不同种类的瞬变电磁检测仪器。例如美国 ZONGE 公司生产的 GDP-32 系统；澳大利亚 SIROTEM 仪器等。这些仪器的最大的特性就是瞬变电磁 检测系统的接收机能够实现全智能化， 这使得 TEM 系统能够形成多功能的工作平台。 国内，对于瞬变电磁检测法的探索兴起于上个世纪七十年代，中南大学和地矿部 物化探研究所等机构率先对瞬变电磁法进行了研究。在一维和二维正演 5和反演、瞬 变电磁理论的研究、 野外实验和仪器的研制等方面它们做出了很大的贡献。 与此同时， 有关 TEM 方面的书籍也随之涌现出来，例如牛之琏编著的时间域电磁法原理 6 和王长清、祝西里编著的瞬变电磁场的理论和计算等。近年来由于国内市场的需 要，国内 TEM 仪器的发展也十分迅速。廊坊物化探研究所研制的 IGGETEM 系列瞬变 电磁仪，中南大学的 SD 系列瞬变电磁仪器，吉林大学研制的 ATEM 系列瞬变电磁仪 等。经历了二十多年的发展，国内的瞬变电磁检测法已经在灾害、环境监测和工程检 测等方面有了广泛的应用。在工程勘探范畴的应用研究，国内对此方面的研究变得越 来越活跃，利用瞬变电磁法检测地下的矿物质一直以来都是很重要的途径。另外在检 测石油运输管道腐蚀 78状况方面，国内的王淑英和黄桂柏，通过对输油管道的实地 检测，成功的验证了瞬变电磁法能够检测埋地输油管道的腐蚀状况，但是瞬变电磁检 2 测法在对埋地金属管道小面积的比较严重的点状腐蚀的检测灵敏度还比较低， 检 测的准确性较低。尽管杂散电流和外界磁场等外界条件对检测的结果具有较大的影 响，对于埋地金属管道的瞬变电磁检测这已经有了长足的进步。瞬变电磁检测的方法 在对埋地金属管道腐蚀状况的检测过程中可以试验不停输和不开挖的在役检测， 对金 属管道以及金属管道内传输的物质对没有要求， 检测的结果都能够直观的显示埋地金 属管道的腐蚀状况。尽管在广大科技工作者的共同努力下，瞬变电磁法有了很大的发 展，但我们必须认识到在瞬变电磁的理论和计算，TEM 仪器研制等方面与国外还是 有着不小的差距， 对此我们仍需要付出更多的汗水和努力， 进一步缩小与国外的差距。 1.21.2 埋地金属管道瞬变电磁检测法的特点和技术优势埋地金属管道瞬变电磁检测法的特点和技术优势 周围土壤的腐蚀和杂散电流的腐蚀是造成埋地管道腐蚀的主要外界条件， 长期的 腐蚀会造成埋地金属管道穿孔现象的发生， 这将会极大的缩短埋地金属管道的使用寿 命。因此， 埋地金属管道腐蚀状况的检测技术水平的高低对延长管道的使用寿命以及 保证工业顺利生产有着非常重要的影响。在实施瞬变电磁法时，具有空间的可分性和 时间的可分性 9。空间的可分性具体指的是，无论是什么性质的脉冲都能够被分解为 不同的频率的余玄信号之和，不同的延时时刻所检测到的频率是不同的，所以在不同 的时刻场在埋地金属管道内的传播速度不同，检测的深度也会有所不同。时间的可分 性具体指的是，由于检测是在电源信号关断以后的时间段进行的，并且也只能解析脉 冲间隙时间段内的数据，因此也就去除了一次磁场的干扰。因为上述两种可分性，瞬 变电磁法检测埋地金属管道与其它的方法相比较具有的特点有： （1）在评估埋地金属管道的腐蚀程度时，瞬变电磁检测法是在埋地金属管道所 覆盖的土壤上方直接检测埋地金属管道的缺陷，因此瞬变电磁检测法能够实现不开 挖、在役检测，这样便可极大的缩短更换和修复的时间，提高检测的效率。 （2）瞬变电磁检测法检测埋地金属管道的噪声信号主要来自于自然电磁场和人 文电磁场，提高发射功率不仅可以增大信噪比 10，而且也能够提高检测的灵敏度。从 而，可以达到提高检测深度的目的。 （3）瞬变电磁检测法对激励线圈的方位和形状并没有严格的要求，可依据实地 的检测条件调整检测装置的结构，因此 TEM 检测埋地金属管道具有灵活、工作简单， 工作效率高等优点。 总而言之，瞬变电磁法检测技术是一种非接触式信号加载信号的新兴检测技术， 3 将其应用于检测埋地金属管道，能够实现埋地金属管道检测的不开挖、在役检测，具 有简单易行、检测精度高等特点，该技术具有非常广的应用前景。 4 2 2 瞬变电磁理论分析瞬变电磁理论分析 2.12.1 瞬变电磁法检测基本原理瞬变电磁法检测基本原理 瞬变电磁法基于电磁感应原理，它以电磁的差异作为依据，通过不接入地的回线 装置向地下发射一次磁场，在一次场的间歇时间段内，通过接受装置测量出二次磁场 随时间的变化，以此来达到探测地下介质的分布特征和性质。如图 2-1 所示。 图 2.1 瞬变电磁法检测原理 2.22.2 时域电磁场的理论基础时域电磁场的理论基础 2.2.12.2.1 微分形式的麦克斯韦方程微分形式的麦克斯韦方程 自上个世纪以来，麦克斯韦（Maxwell)归纳了电磁学的各项研究成果，创建了论 述宏观电磁场运动规律的方程组， 由此奠定了宏观电磁场的理论基础， 一个多世纪来， 成千上万的电磁场工程和科学实验实践并没有发现与麦克斯韦方程组相违背的例子， 这便使得人们坚定不移地相信，通过麦克斯韦电磁场理论，用来解决不同类型的宏观 电磁场问题是可行的。 在麦克斯韦方程组中，电磁场特性主要由四个物理参量来表示，因为电磁场本质 上为矢量场，所以上述的 4 个物理参量均是矢量，分别用 E、D、H 和 B 表示,其中： E 称为电场强度（单位为 V/m） ，D 称为电通量密度或电位移矢量（单位为 C/m2),H 称为磁场强度（单位为 A/m),B 称为磁通量密度或磁感应强度（单位为 Wb/m2)。 从本质上讲， 带电粒子运动产生的电流以及其空间的分布是宏观电磁场产生的根 本原因。一个电子带有的电荷量是电量的最基本的单位，所以电荷量的变化是不连续 的， 当然其空间分布也是不连续的。 电磁场也被定义为分立的光子， 它也是不连续的。 宏观尺度是宏观电磁场成立的必要条件， 因此场量和电量的分立特性在宏观尺度下都 是可以忽略的，在空间和时间上他们也都被认为是连续的。 5 在绝大多数情况下，表示电磁场的各物理参量一般都是时间 t 和位矢 r 的函数。 在连续媒质的空间中，当宏观尺度条件能够被满足时，则可以假设场是 r 和 t 的连续 函数并且此时具有连续的导数。作为电磁场的源或被电磁场所诱导电荷密度（单位 为 C/m3)和电流密度 J（单位是 A/m2)也假定为 r 和 t 的连续函数。在上述条件下，麦 克斯韦方程组有如下形式： ),(),(),(trJtrDtrH t （2.2.1） ),(),(trB t trE （2.2.2） ),(),(trtrD（2.2.3） 0),(trB（2.2.4） 其中和 J 还应满足表征电荷守恒定律的连续性方程， ),(),(.tr t trJ （2.2.5） 对于时变电磁场， 以上 5 个方程中只有 3 个是独立的。 例如， 方程 （2.2.3） 和 （2.2.4） 可由方程（2.2.1） 、 （2.2.2）和（2.2.5）导出。 当电磁场的运动规律能够被数学形式表征出来时， 这其实就已经对电磁场中所包 含的物理参量作了某种性质上的假定，这样便能够保证完成所必需的数学计算。一般 来说，在电磁场中被假定的物理参量并不是无穷的，并且它们有足够的可微性和连续 性，因此它们可以自由地交换积、微分的顺序，特殊的例子只有在媒质不连续的情况 下才会出现。在遇到特殊的例子时应进行特殊处理。 2.2.22.2.2 积分形式的麦克斯韦方程和电磁场的边界条件积分形式的麦克斯韦方程和电磁场的边界条件 麦克斯韦方程组的微分形式表征了电磁场的区域性质，仅仅在介质连续的区域才 适用，因为微分运算对被积函数的要求比积分对函数的要求更高。 考虑空间中的一个有限区域，其体积为 V，表面为 S，A 为 S 的一部分，A 的边 界为为 C。对于 V 内有定义的矢量函数 F，有如下的高斯（Gauss)定理和斯托克斯 （Stokes)定理成立， (2.2.6) (2.2.7) 对方程（2.2.1）和（2.2.2）在 A 上进行积分，再利用方程（2.2.7） ，对方程（2.2.3） 和（2.2.4）在 V 上进行积分，在利用方程（2.2.6） ，就可以得到 VSFdS FdV CA FdldSF)( 6 (2.2.8) (2.2.9) (2.2.10) (2.2.11) 这就是麦斯威尔方程的积分形式。 麦克斯韦方程组的积分形式是对电磁场的全区域的描述， 它表征的是在某一个区 域中电磁场的总体性质。确切的来说，只有在分布论的意义上积分形式和微分形式才 可以互相转换。由于他们所表达的电磁场特性的角度不同，因此各有不同的作用。 因为麦克斯韦方程组的积分形式适用于介质的不连续处， 所以将其应用于导出介 质不连续处场量应满足的关系是可行的，这就是电磁场的边界条件。求解微分形式的 麦克斯韦方程组必须满足磁场的边界条件。 假定有介质1和介质2构成的突变交界面， 分别用下角标 1 和 2 表征相对应介质中的场量，n 表示交界面上由媒质 2 指向媒质 1 的法向单位矢量，则由方程（2.2.8)（2.2.11）可导出交界面上场量应满足的边界条 件11， 0)( 2 1 EEn(2.2.12) s JHHn)( 21 (2.2.13) S DDn)( 12 (2.2.14) 0)( 21 BBn(2.2.15) 其中 Js为交界面上的面电流密度，s为交界面上的面电荷密度。 一般来说，我们会把一些条件理想化，这样就会使得一些问题得到简化。例如， 当导体的导电性能良好时，我们可以把导体的导电率近似的看作为无限大，并成为理 想导体。如果用 E、H、D 和 B 表示导体外面的场量，则对理想导体可得如下的边界 条件： 0En(2.2.16) s JHn(2.2.17) s Dn(2.2.18) 0Bn(2.2.19) 如果求解区域是开放的，则需要给出电磁场在无穷远处需满足的条件。基于场能的有 限性要求，场必须满足辐射条件。 Ac BdS t Edl AJdS DdS t Hdl SV dVDdS SV dVDdS 7 2.32.3 瞬变电磁检测法信号的分析瞬变电磁检测法信号的分析 依据法拉第电磁感应定律，当发射线圈中的激励电流被瞬间关断后，地下的导体 介质将会产生一个和一次磁场方向相同的感应磁场12，这个感应磁场也称为二次磁 场。二次磁场的信号强度随着时间推移逐渐扩散衰减，这个扩散衰减的过程可以分为 早、中、晚三个阶段。埋地金属管道某实验点的瞬变电磁响应如图 2-2 所示。 图 2-2 埋地金属管道某实验点的瞬变电磁响应曲线 2.3.12.3.1 瞬变电磁信号的动态范围瞬变电磁信号的动态范围 瞬变电磁信号的动态范围13很大，从一开始的 1105uv 变到后期的 0.1uv。信号 的动态范围与地下导体介质电阻率有关，不同的电阻率介质具有不同的瞬变电磁响 应。低电阻率的导体介质初始瞬变电磁响应幅度不大，但衰减速度比较慢；高电阻率 的导体介质初始瞬变电磁响应幅度很大，但衰减速度比较快。信号的动态范围不仅与 介质的电阻率有关，而且与瞬变电磁法所检测的试件埋深、大小和形状等因素有关。 因为瞬变电磁信号的动态范围大，所以这就对仪器的分辨率具有较高的要求。特别是 当所检测的信号处于后期的信号时。 由于外部的噪声信号很容易覆盖较弱的瞬变电磁 信号， 因此对于后期的较弱的电磁信号需要采用有效的措施进行放大处理或者采用有 效的信号处理技术。 2.3.22.3.2 瞬变电磁信号的衰减特性和频带瞬变电磁信号的衰减特性和频带 瞬变电磁检测法的信号衰减速度 14在不同的时期差异比较大，在早、中期这 两 个阶段，信号的衰减速度比较快。然而相对于早、中两个阶段的衰减速度，晚期的信 号衰减速度则显得比较慢。依据瞬变电磁的这种衰减性质，要想精确的测定信号的衰 减性质，在对试验点采样时，必须要符合在相应的时间段内要取出足够多的采样点， 8 采样点的类型决定了采样点的时间间隔。在早期和中期两个阶段，由于信号衰减的速 度比较快，因此取样点的时间间隔应取得足够小才能够辨别出信号的衰减特性。对于 晚期的信号特点，因为晚期这一阶段的信号衰减速度比较慢，所以在这一阶段取样点 的时间间隔应取得宽一些。 瞬变电磁检测法的信号频带较宽，其频率范围最高可以达到 104赫兹。由于信号 的频带范围很宽，这其中也包括各种杂质电磁噪声信号，因此必须对检测的信号数据 进行滤波处理，并采用有效的方法用于增强仪器的抗干扰能力，除此之外，还应采用 有效的手段对晚期较弱的电磁信号进行放大用于提高信噪比。 2.3.32.3.3 瞬变电磁信号的取样瞬变电磁信号的取样 模拟积分取样、模拟积分-数字化叠加取样和数字化叠加取样是目前各种类型的 TEM 检测系统所采用的三种取样方式 15。模拟积分取样指的是分时间段通过多个积 分器在电路上采集电信号，这种方法的优点是采样的准确度比较高，但缺点是对电路 的构造要求比较严格，电路设计的难度比较大。采用该方法所取出的信号的特点是采 样的次数、采样的窗口宽度和采样的时间由时标信号确定，通常取样的次数和取样的 时间是固定的；数字化叠加取样指的是经过取样保持电路后，首先对每个取样点的信 号进行数字化处理，经处理的信号直接送入计算机内，在计算机内进行内处理后，最 后再进行软件积分。这种方法的特点是电路简单、使用比较灵活，在计算机的内部可 以通过各种方法进行处理，用于提高仪器的性能和检测信号的能力；模拟集成数字覆 盖采样是上述两种方法相结合的抽样方法，结合这两种抽样方法的优点，其特点是早 期延迟数据分辨率较低，数据精度晚延迟较高。 2.42.4 瞬变电磁法常用的激发场波形瞬变电磁法常用的激发场波形 三角形波、方波、半正弦波、梯形波和伪随机波等激励信号是瞬变电磁法激励信 号波形常用的多种周期性脉冲信号。依据傅里叶频谱解析理论我们知道，无论是哪一 种脉冲信号都可以被分解为一系列具有不同频率的谐波信号。因此，无论是哪一种脉 冲激励信号在导体介质中产生的信号都可以被看作是一系列具有不同频率的正弦信 号所产生的响应之和。图 2-3 为目前常用的激励信号波形。 9 图 2.3 常用的激励信号理论波形和实际波形 (a)双极性矩形（b)双极性梯形(c)双极性半正弦(d)实际发射波形 通过 ANSYS 有限元分析 14软件对埋地金属管道建立三维模型15时，脉冲波形采 用单个阶跃波。令激励信号序列的周期趋于无穷大，于是双极性矩形激励信号就能被 转化为非周期的单阶跃波形。然而在实际的工作过程当中，因为激励线圈的电感、电 容特性，输出的波形不可能是理想的，通常波形应呈指数上升，下降也应呈斜阶跃下 降，如图 2-3(d)所示。 10 3 3 有限元分析方法及有限元分析方法及 ANSYSANSYS 简介简介 3.13.1 有限元分析方法简介有限元分析方法简介 在确定分析对象的基本特性，并建立起其模型以后，有限元分析方法作为一种分 析及计算方法，它可以被概括为如下三点： （1）将所要分析的对象分解为若干个单元，并通过单元边界上的节点把各个单元 联接为一个整体。 （2）将全求解域内待求的未知场变量用各个单元内假定的近似函数来分片的表 征。 而用未知场函数在单元各个节点上的数值及与其对应的插值函数来表征每个单元 内的近似函数。因为场函数在链接单元的接地啊上具有相同的数值，所以把它们作为 基本未知量用于数值求解。 这样便使得原待求函数的无穷多自由度的求解问题就被转 化为场函数节点值的有限自由度求解问题。 （3）利用和原问题数学模型等效的加权余量法或变分原理，建立常微分方程组或 代数方程组用于求解基本未知量。此方程组由规范化的矩阵形式所表征，此后可以用 相应的数值分析方法求解该方程并得到原问题的解答。 3.23.2 有限元分析法的特点有限元分析法的特点 （1）复杂几何构形的适应性。因为单元在空间上可以被定义为一维、二维或者三 维的，且每一种单元可以采用不同的连续方式也可以具有不同的形状。 （2）各种物理问题的适应性。因为全求解域的未知场函数被单元内的近似函数所 表征，其并未设定限制场内方程的形式应满足相对应的条件，也未设置各个单元所对 应的方程必须有相同的形式， 所以它适用于各种物理问题， 例如动力问题、 屈曲问题、 粘弹性问题等，而且其还可以被应用于不同类型复杂物理现象相互耦合的问题。 （3）严格理论基础上的可靠性。由于边界条件和微分方程的等效微分形式是加权 余量法或有限元方程的变分原理，因此当原问题的数学模型是无误的，同时用于解析 有限元方程的数值运算方法是可靠稳定的， 则随着单元尺寸的缩小或是随着单元自由 度数的增加，有限元分析方法求解的近似程度将不断地被提高。 （4）计算机实现的高效性。 因为有限元分析方法的每一步都能够被表示为规范化 的矩阵形式，这样便使得求解方程可以被看作是标准的矩阵代数问题，这种情况下特 别符合计算机的执行和编程。 计算机硬件技术的不断发展以及数值运算方法的更新换 代，大规模的复杂工程的有限元分析已经被看作是工程技术领域的常规工作。 3.33.3 ANSYSANSYS 简介简介 ANSYS 是以有限元分析法为依据的 CAE(Computer-aided Engineering)软件， 它是 11 由美国 ANSYS 公司所研发。 ANSYS 无论是在 PC 机、 工作台亦或是巨型计算机都具 有较好的兼容性，ANSYS 文件在其所有的系列产品和工作平台上都可以运行。这就使 得 ANSYS 用户可求解多领域多变工程问题。它可以把电场、磁场、声场的分析融为 一体，ANSYS 现已被广泛应用于航天、土木工程、水利水电工程等领域。 ANSYS 主要由以下三个部分组成： （1）前处理模块(PREP7) 前处理模块完成有限元分析法的前处理过程。 其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。模块提供了强大的实体建模及网格划分工具，主要包括 三部分内容：材料属性的定义及配置、实体建模和单元网格划分。 （2）加载和求解模块(SOLUTION) 加载和求解模块完成有限元分析法的计算过程。用于对有限元模型选择分析类 型、施加外界条件和载荷、确定载荷步、选择求解器并进行求解。 （3）后处理模块(POST1 和 POST26)。 后处理模块完成有限元分析法的后处理过程。 可以用图形方式显示模型结构内部 的计算结果，比如：等值线显示、梯度显示、矢量显示、透明及半透明显示等，也可 以图片、曲线形式显示或输出计算结果。 12 4 埋地金属管道的埋地金属管道的 ANSYS 三维仿真分析三维仿真分析 4.14.1 创建埋地金属管道三维模型的物理环境创建埋地金属管道三维模型的物理环境 （1）过滤图形界面：从主菜单中选择 Main MenuPreferences,弹出“Preferences for GUI Filtering”对话框， 选中“Magnetic-Nodal”来对后面的分析进行菜单及相应的图 形界面过滤。如图 4.1 所示： 图 4.1 选择图形界面 （2）定义工作标题：执行菜单栏中的 Utility MenuFileChange Title,在弹出的对话 框中输入“3D LYBS” ，单击“OK”. （3）指定工作名：执行菜单栏中的 Utility MenuFileChange Jobname,弹出一个对 话框，在“Enter new name”后面输入“LYBS_3D” ，单击“OK”按钮。如图 4.2 所 示： 图 4.2 定义工作名 （4）选择单元类型：从主菜单中选择 Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete,弹出“Element Types”单元类型对话框，单击“Add”按钮， 弹出“Library of Element Types”单元类型对话框。在该对话框中左面滚动栏中选择 “Magnetic-vector”,在右边的滚动栏中选择“Brick 8 node 97”,单击“OK”按钮， 定义了一个“SOLID97”单元。如图 4.3 所示： 13 图 4.3 选择单元类型 （5）定义材料属性：从主菜单中选择 Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models,弹出 “Define Material Model Behavior”对话框。 在右边的栏中 连续单击 “ElectromagneticsRelative PermeabilityConstant”后， 又弹出 “Permeability for Material Number 1”对话框。在该对话框中“MURX”后面的输入栏输入“1” ，单 击“OK”按钮。最后单击“MaterialExit”结束。这样便定义了空气的相对磁导率， 如图 4.4 所示： 图 4.4 定义空气的相对磁导率 重复上述的步骤，分别定义管道、线圈、土壤的相对磁导率为 350、1、5。同理 可在主菜单中的“Material Models”中分别定义线圈的电阻率为 3E-8 欧姆/米，管道 的电阻率为 1E-7 欧姆/米，土壤的电阻率为 50 欧姆/米。 4.24.2 三维仿真模型的建立三维仿真模型的建立 自顶向下和自底向上是 ANSYS 中两种实体建模的方法。 （1）自顶向下 14 自顶向下的建立模型指的是按照从体到面、 从面到线、 从线到点的顺序进行建模， 因为线是由点构成， 面是由线构成， 体是由面构成， 所以称这个顺序为自顶向下建模。 （2）自底向上 自底向上建模与自顶向上建模正好相反，是按照从点到线，从线到面，从面到体 的顺序建立模型，因为线是由点构成，面是由线构成，而体是由面构成，所以称这个 顺序为自底向上建模。 本次三维仿真模型的建立采用自顶向下的建模方法。依据自顶向下的建模方法， 第一步先定义模型的最高级的图元， 在三维仿真模型中需要定义线圈、 卖地金属管道、 空气以及土壤。 当上述模型中的内容被定义以后， ANSYS 会自动匹配相关的关键点、 线和面。 用户图形界面（Graphic User Interface 简称 GUI）操作方式和参数化语言设计 （ANSYS Parametric Design Language简称APDL） 方式是ANSYS的两种操作方式。 GUI 方式不要求掌握命令的使用格式和编程语言的使用规则等， 用户可以只通过鼠标 便可在图形界面上进行操作。 GUI 操作方式对于比较简单的有限元分析模型， 操作速 度或许会更快些。而对于比较复杂的、规模比较大的有限元分析模型，GUI 操作方式 的缺点就会有所显现。由于对于一个模型的分析经常需要多次的反复分析，当需要对 修改后的模型进行分析时，若采用 GUI 操作方式就会出现大量的重复步骤。大量的 计算时间被这些重复的工作占据，因此在这种情况下 GUI 操作方式就显得比较繁琐， 效率也比较低。 APDL 参数化语言设计操作方式，可以自动地完成部分常规分析操作。它是一种 依据参数化编程方式和操作命令来建立分析模型的脚本语言。智能分析，自动地完成 多数 GUI 操作等都是 APDL 编写的脚本程序进行参数化建模的特点。 特别的是 APDL 操作方式甚至能够符合 GUI 操作方式无法满足的要求。APDL 操作方式可以分析属 性和控制相关的设计，并允许输入复杂的数据。比如定义材料的属性、输入模型的尺 寸、定义边界条件的位置、施加载荷和调整网格划分的密度等。通过 APDL 操作方式 不仅能够为问题的计算与求解提供更加简单高效的手段， 而且极大的扩展的有限元分 析的范围。 由于本次三维仿真模型的建立相对来说比较复杂，因此采用 APDL 操作方式。 首先建立线圈的模型，定义线圈的匝数 N=10，线圈的外径为 0.102m，线圈的内 径为 0.1m，线圈的厚度为 0.0035m，输入 APDL 命令流后得到的模型如图 4.5 所示： 15 图 4.5 定义线圈的模型 其次再建立管道的模型， 定义管道的长度为 1.5m， 外径为 0.65m， 内径为 0.52m， 管道的埋深为 0.5m，输入 APDL 命令流后得到的模型如图 4.6 所示： 图 4.6 定义管道的模型 最后，再建立土壤和空气的模型，定义空气层的高度为 0.2m，定义土壤的模型 为长 1.5m，宽 0.5m，高为 0.75m 的长方体，土壤将包裹在管道的周围。输入 APDL 命令流后，添加土壤后及最终建立的模型分别如图 4.7、4.8 所示： 图 4.7 添加入土壤后的模型 16 图 4.8埋地金属管道模型 4.34.3三维仿真模型的网格划分三维仿真模型的网格划分 在ANSYS有限元分析法中， 计算时间和计算精度等因素决定所选取网格的大小。 当所要求的单元越小，则网格的划分就越细，同时计算结果的精度也越高。尽管网格 划分的越细计算得到的结果精度也越高，但由于网格单元数的急剧增加，由此所增加 的计算量将会十分庞大，同时计算的时间也会延长。 对于此次埋地金属管道的三维仿真模型采用的是自由划分和映射划分相互结合 的方式。采用这种划分方式，一方面仿真计算时间减少了；另一方面，仿真的计算精 度也得到了提高。在三维模型中，线圈和管道采用的是六面体网格，通过扫略方式生 产体网格，40 个节点被等分在线圈周长上，同时线圈的厚度方向也等分 3 个节点。 管道的轴向选中四条直线，管道长为 1.5m,在管道轴向方向每 0.015m 设置一个节点。 为了减少计算时间，同时由于实际空气和土壤的结构比较复杂，空气和土壤均采用四 面体网格进行自由网格划分，自由网格划分的划分等级为 1。如图 4.9、4.10、4.11 分 别是线圈的网格划分、管道的网格划分及整个埋地金属管道模型的网格划分方式： 图 4.9 线圈网格划分图 17 图 4.10 管道的网格划分 图 4.11 埋地金属管道模型的网格划分 4.34.3 施加载荷及边界条件施加载荷及边界条件 诺依曼边界条件和狄利克莱边界条件是 ANSYS 分析软件中的两类边界条件。一 般来说狄利克莱是作为约束条件被提出，它指的是磁力线与模型边界相互平行的条 件，也叫做第一类边界条件。诺依曼边界条件指的是磁力线垂直于模型边界条件，也 叫做第二类边界条件。 对于此次埋地金属管道三维仿真模型中， 仅仅在模型的外表面添加磁力线平行边 界条件，即狄利克莱边界条件。 （各条边界线上设置 AZ=0）同时通过输入 APDL 命 令流设置加载在线圈上的电压为 12 伏特。则施加载荷及边界条件以后的三维仿真模 型如图 4.12 所示： 18 图 4.12 施加载荷及边界条件后模型图 4.44.4 求解及后处理过程求解及后处理过程 当线圈被加载上电压为 12V 的激励信号后，输入 SOLVE 命令后，线圈材料的每 个单元节点上将被 ANSYS 自动加载 12V 的激励电压并开始计算。当所有求解完成后， 再通过 POST1 通用后处理器查看激励电压关断前、关断后（t0.03001s 为关断后）壁厚为 13mm 且埋深为 0.5m 的管道的磁通密度分布云图。不 同时刻管道的磁通密度分布云图如下图所示。 （图中不同的颜色代表不同磁通密度的 大小，其中红色的表示数值最大，蓝色的表示数值最小。 ） t=0.015s 19 t=0.03001s t=0.03825s 20 t=0.06325s t=0.10001s 图 4.13 同一管道不同时刻磁通密度分布云图 4.54.5 三维管道模型仿真结果分析三维管道模型仿真结果分析 由图 4.13 金属管道管壁的磁通密度分布云图可以得知： (1) 在激励电压信号未关断之前，线圈正下方的管道管壁磁场强度较强，而管道两 端管壁的磁场强度较弱，且在激励电压信号未关断之前这种状态都比较稳定。 (2) 激励电压信号关断初期，仍然是线圈正下方的管道管壁磁场强度较强，而管道 21 两端管壁的磁场强度较弱。从激励电压信号关断中、后期的磁通密度分布云图可知， 管道中间部分的磁场强度逐渐减小，磁场强度有向管道两端扩散的趋势，因此管道两 端的磁场强度逐渐增大。最后，管道中间部分的磁场强度首先减少到最小，磁场大部 分集中在管道的两端。 4.64.6 不同壁厚的金属管道仿真结果分析不同壁厚的金属管道仿真结果分析 管道腐蚀程度的不同主要表现在管道壁厚的不同， 分别建立壁厚为 10mm、 13mm、 16mm 和 18mm 的三维仿真模型，分别计算在关断激励电压信号后的同一时刻 （t=0.06325s)的磁通密度分布云图，如图 4.14 所示。由图中可以得知，在关断电压激 励信号后，随着管道壁厚的增加，磁场强度由管道中间部分向管道两端扩散的速度也 越来越快。 壁厚 d=10mm 壁厚 d=13mm 壁厚 d=16mm壁厚 d=18m 22 图 4.14 不同壁厚磁通密度分布云图 在完成上述个模型的 ANSYS 三维仿真后，通过 POST26 时间历程处理器计算出 各个模型的线圈上的感应电流并导出所有计算出的电流值，再利用 MATLAB 将导出 的线圈上的感应电流值转化为感应电压值，并画出图像，如图所示： 图 4.15 不同腐蚀程度的 MATLAB 图形 图 4.16 不同腐蚀程度放大后的图形 23 从上述的图形中可以看出，当管道的壁厚不相同但金属管道的外径相同时，线圈 的瞬变响应曲线是可分的， 管壁 16mm 的感应电压值衰减最慢， 管壁为 10mm 的感应 电压值衰减最快， 而管壁为 13mm 的感应电压值的衰减速度处于上述两者之间。 即腐 蚀程度越大的管道，感应电压值的衰减速度越快。 24 5 5 总结总结 本文研究了金属管道瞬变电磁检测的有限元分析，所做的工作总结如下： （1）理论准备。针对所研究的课题，了解熟悉了瞬变电磁检测的发展及研究现状和 埋地金属管道瞬变电磁检测法的特点和技术优势。 通过学习研究瞬变电磁法检测埋地 金属管道技术以及 ANSYS 仿真原理，为金属管道瞬变电磁检测的有限元分析做好准 备。 （2）仿真实验。首先通过 GUI 操作方式与 APDL 命令流相互结合的方式，建立了包 含有空气、线圈、土壤和管道的埋地金属管道的三维仿真模型；其次，将 12V 的电 压激励信号加载在线圈上，利用 ANSYS 通用后处理器计算出激励电压信号关断前后 不同时刻金属管道的磁通密度分布云图。最后，比较了激励电压信号关断后壁厚分别 为 10mm、13mm、16mm 和 18mm 在同一时刻的磁通密度分布云图以及不同腐蚀程 度的管道的瞬变感应电压值变化曲线。 （3）依据仿真实验可以得出：一方面，在激励电压信号关断的初期，线圈正下方的 管道管壁的磁场强度较强，并有向管道两端扩散的趋势。管道中间部分的磁场强度下 降较快，最后，管道中间部分的磁场强度最弱，磁场大部分集中在管道的两端；另一 方面，当埋深、所加激励信号等条件一致而只有壁厚不同时，随着壁厚的增加，磁场 向管道两