【《管道缺陷漏磁场三维仿真分析案例》2300字】

管道缺陷漏磁场三维仿真分析案例本节利用COMSOL建立三维漏磁检测模型进行仿真分析，同时得到管道缺陷附近轴向、径向和周向三个方向的漏磁场分量。管道参数设置如下：外径为230mm，壁厚为15mm，长为800mm。管道外侧还设置了100mm厚的空气层，使得仿真结果更加接近实际检测的结果。得到管道的三维模型，如图2-8所示。图2-8管道模型Fig2-8Pipelinemodel为了更好地研究管道缺陷附近区域的漏磁场，建立模型进行三维漏磁检测，同时得到管道缺陷附近相互垂直的三个方向的磁通密度分量，选择三维空间建模，研究静态漏磁场的磁通量分布，求解类型为稳态，由此得到的漏磁信号会更接近实际测得的信号。根据管道整体模型，由于管道三维漏磁检测模型具有轴对称特性，因此选择一小部分区域建模，模型参数如表2-1所示，得到的模型如图2-9所示，其他模型参数如图2-10所示，X方向为轴向，Z方向为径向，Y方向为周向。表2-1模型参数Tab2-1Modelparameters名称长度宽度高度（深度）轭铁170mm100mm30mm永磁体40mm100mm30mm钢刷40mm100mm30mm缺陷10mm20mm30mm图2-9漏磁检测三维模型Fig2-9MFLdetectionof3Dmodels图2-10模型参数Fig2-10Modelparameters其中A3为管壁，A4、A5为钢刷，A6、A7为永磁体，A8为轭铁，管壁中央有上下对称的两处缺陷。两处缺陷均为长10mm，宽20mm，高5mm的立方体，这里将缺陷的长宽高设置成参数的形式，方便后续实验对缺陷大小的更改。dz可近似表示传感器在管道内部的位置，可以改变dz的值来进行传感器位置的调整。接下来定义材料的属性，为了简化计算，本文将管道、轭铁、钢刷都定义为COMSOL内置的铁材料，管道外侧的区域定义为空气，铁的相对磁导率为4000，空气的相对磁导率为1。通过控制两个缺陷区域的材料来设定内缺陷和外缺陷，如将靠近钢刷处的缺陷材料属性定义为空气，另一侧缺陷材料属性定义为铁，则为内缺陷；反之靠近钢刷处的缺陷材料定义为铁，另一侧缺陷材料定义为空气则为外缺陷，两处缺陷材料都定义为铁则没有缺陷。还需要设置两个永磁体作为励磁源，这里通过在磁场中添加两个安培定律来实现，在安培定律中将本构关系选为剩余磁通密度，满足，其中为材料的相对磁导率，为剩余磁通密度，大小分别设置为10T和-10T，方向分别为Z和－Z，使两个永磁体构成一个磁通回路。网格采用自由四面体网格，首先定制缺陷附近区域网格，最大单元大小设定为0.001，因为缺陷附近区域是漏磁场分布的主要区域，所以该部分网格划分要细些，使计算更加准确。剩余区域网格采用预定义中的极细化网格来划分，网格划分结果如图2-11所示。图2-11网格划分结果Fig2-11Meshingresult本节为了简化模型，设定的缺陷形状为长方体。在仿真计算前，还需要添加参数化扫描和域点探针。参数化扫描是模拟漏磁检测器在管道中运动的过程；域点探针的位置随着参数值的变化而变化，可以探测到所经过位置的不同方向的漏磁信号，该探针用来模拟前文的三维漏磁检测传感器。在定义选项处添加域点探针，探针的坐标设置为（dz-n+x_A5+0.04，y_A3/2，z_A3+0.005），即探针在距离管道挂壁2mm处。在进行实验平台的搭建时，要把霍尔元器件放在感受磁场最敏感的一面，即与漏磁场垂直，更有利于漏磁信号的检测。同时设置三个点探针表达式，分别为mf.Bx，mf.Bz，mf.By，mf.Bx用来检测漏磁场的轴向分量，mf.Bz用来检测漏磁场的径向分量，mf.By用来检测漏磁场的周向分量。在一般研究中添加参数化扫描用以模拟三维漏磁内检测器的移动，其中dz的参数值列表设置为range（340[mm]，1[mm]，370[mm]），则扫描范围为385mm-415mm，缺陷所在位置为400mm处，设置完成后进行计算，在结果一项中查看。在管道管壁有缺陷（内缺陷）和无缺陷的情况下进行仿真计算，得到缺陷附近的漏磁场磁通密度分布，如图2-12、图2-13所示。从两个图中可以看出有缺陷的时候缺陷（图中长方形，实际为长方体）附近磁通密度较小。根据理论知识，一部分磁力线在缺陷附近会泄露到空气中，因此管道内剩余的磁力线就较少，对应位置的磁通密度就较小。说明仿真结果是正确的，与理论是相符合的。图2-12无缺陷磁通密度云图Fig2-12Defectfreefluxdensitynephogram图2-13有缺陷磁通密度云图Fig2-13Defectivefluxdensitynephogram对管道缺陷漏磁场进行三维仿真，可以得到管壁在有缺陷和无缺陷两种情况下的漏磁场磁通密度曲线。在管壁无缺陷的情况下，进行三维仿真分析，得到管壁无缺陷时漏磁场磁通密度曲线，如图2-14所示。图2-14无缺陷漏磁场磁通密度曲线Fig2-14Fluxdensitycurvewithoutdefectleakagefield图2-14中，在管道管壁无缺陷的情况下，轴向分量、径向分量和周向分量三条曲线都接近于一条直线。径向分量和周向分量数值上接近于零，轴向分量数值上近似于一个恒定值。在管道管壁有缺陷（轴向长度为10mm，周向宽度为20mm，径向深度为5mm的长方体人工缺陷）的情况下，对管道缺陷漏磁场进行三维仿真分析，管壁有缺陷时漏磁场磁通密度曲线如图2-15所示。图2-15有缺陷漏磁场磁通密度曲线Fig2-15Fluxdensitycurvewithdefectiveleakagefield图2-15中，在管壁有缺陷的情况下，从轴向、径向和周向三个分量的曲线变化趋势可以看出，因为缺陷的存在，轴向以及径向分量曲线和无缺陷时的两条曲线相比较变化明显，周向分量相较于无缺陷时变化不明显，但在零值上下波动。通过图2-14和图2-15中三条曲线的对比，可完成管道是否有缺陷的判断，由此可判断出图2-15所示的情况为管壁上有缺陷的情况。为了区分缺陷是在管道内壁还是外壁，在管道无缺陷，有内缺陷以及有外缺陷三种情况下进行仿真计算。漏磁场轴向分量、径向分量和周向分量如图2-16所示。a漏磁场轴向分量b漏磁场径向分量c漏磁场周向分量图2-16漏磁场三维分量磁通密度曲线Fig2-16Fluxdensitycurveofthreedimensionalcomponentofleakagefield在图2-16轴向分量图中，横坐标为距离，纵坐标为磁通密度，可以看出轴向分量曲线是波峰型，在缺陷中心位置附近达到最大值。在图2-16径向分量图中，可以看出径向分量曲线是波峰波谷型，在波峰波谷处达到最大值，符号相反。在图2-16周