收稿日期:2009-02-24基金项目:国家自然科学基金资助项目(60672144).作者简介:冯蒙丽(1981 ),女,河北省保定人,硕士,主要从事无损检测、模拟仿真相关研究.ANSYS 在电磁无损检测中的应用冯蒙丽1,蔡玉平1,赵建君1,陈红叶1,宋春荣1,丁红胜2(1.军械工程学院基础部,石家庄 050003; 2.北京科技大学应用科学学院,北京 100083)摘要:介绍了电磁无损检测发展现状及其与仿真技术结合发展的必要性,建立了针对交流磁场检测(AC FM )金属缺陷的仿真模型,列出了磁场、电流仿真方面的理论分析,同时简单介绍了涡流检测仿真的发展.展示了仿真技术在无损检测实际工程中的重大意义.关键词:ANSYS;无损检测;ACFM ;涡流检测中图分类号:TP274.5;O441文献标识码:A文章编号:1006-0707(2009)06-0024-03无损检测技术以不损坏检测对象的使用性为前提,以材料的物理性质为理论基础,其发展过程几乎利用了世界上所有物理研究的新成就,新方法,在航空,医学,机械材料,石油管道等领域具有广泛的应用价值[1-7].实现无损检测的方法有多种,例如超声检测、射线检测、磁记忆检测、电磁检测等,其中电磁检测主要包括传统涡流检测以及近年发展起来的交变磁场检测(ACFM).并且随着磁测量技术,尤其是20世纪80年代后随着SQUID 的快速发展,电磁检测在电子电路方面又开拓出了一片新的领域[8-10].20世纪90年代是国际无损检测技术发展的又一个兴旺时期,其特点是计算机技术不断向无损检测领域渗透,使得无损检测仪器的改进得到很大提高[6].随着无损检测技术的不断发展,不仅要求检出缺陷的有无,还要对缺陷进行定量、定性,进而对检测对象做出无损评价.这可以通过试验或数值模拟计算的方法得到,有助于对特定的检测对象进行有效的检测[11],通过试验手段具有相当的可靠性,但是仅通过试验来积累经验相当的费时费力[12],并且对于新兴的无损检测技术,如ACFM 方法,这方面的信息相对较少,在实际检测过程中也存在一定难度,作为一种新型技术,需要进一步对测量的可行性进行完善研究,通常可用一定的仿真软件进行模拟.随着数字技术,尤其是有限元方法的广泛应用,它可以方便处理复杂形状的边界和交界面[13],电磁场问题的数值分析也得以解决.1 ANSYSANSYS 是当前可视化的面向科学计算的优秀仿真科技应用软件.它是当前有限元分析软件中的佼佼者,它拥有丰富和完善的单元库、材料模型库和求解器,保证了它能够高效的求解各类电磁场问题,以及多场耦合问题[14-15].本研究主要是针对当前新兴的ACFM 无损检测手段先进行仿真研究,再与理论数值相比较,从而为实际检测系统中缺陷的定量研究提供理论上的指导.为使得出的仿真结果更具普遍指导意义,采用三维模型对金属表面缺陷检测进行了模拟.试验结果与理论数值得基本吻合,同时简要介绍了当前涡流检测仿真的发展,这充分显示了这种研究思路在电磁无损检测中的可行性和在实际工程应用中的重大意义.2 ANSYS 在无损检测中的应用2.1 ACFM 缺陷检测2.1.1 ACFM 原理根据楞次定律,电磁波在导体中传播时,导体中将产生感应电流,而感应电流分布及大小与导体的电导特性有关.如果让交变电流垂直于样品平面,当被测样品中无缺陷时感应电流均匀分布,电流线平行,如果存在缺陷,电流线会在缺陷边缘处产生汇聚和偏转,两端电流密度比激励电流要大得多,存在一定的奇异性,这种电流的变化会产生一个偶极子磁场[16-17],如图1所示.在缺陷两端电流最密集,会产生两个B z 峰值,根据两峰值之间的距离可以确定缺陷的长度;沿缺陷方向B x 值受扰动,在缺陷最深处达到最小值.因此ACFM 检测可以通过分析B z 和B x 获得与缺陷有关的长度、深度信息.第30卷 第6期四川兵工学报2009年6月此外感应电流存在趋肤效应即电流趋向于在导体表面附近流动,而且电流密度向导体内部成指数衰减,根据理论,趋肤深度 =503f[18],其中f 是电磁波的频率, 和分别是导体材料的磁导率和电导率,根据这一关系,对某一特定的导体材料,可以求出每一种激发频率所对应的趋肤深度.同理,反过来可以通过寻找最佳感应频率,即缺陷对该频率具有最大的响应来估计缺陷深度.相对于用B x 信息,这种方法估算缺陷深度更加简单直观,在实际应用中的可操作性也更强,本研究将通过这种方法对激发频率进行选取.图1 缺陷周围电流分布2.1.2 模型建立取尺寸为300mm 300mm 3mm 的铝板,设磁导率为1,铝板正中心长方体缺陷尺寸为10mm 1mm 1mm,激励线圈尺寸为40mm 25mm 25mm,厚度1m m,匝数800N,相对磁导率1,水平放置在距离裂缝4mm 的空气中,通频率为500~20000Hz的正弦电流,如图2所示.图2 铝板、线圈位置示意图采用solid97单元划分线圈、铝板以及空气场,采用in fi n111划分远场,同时使用mesh200设置非解区域,把开域问题建立为闭域问题求解.2.1.3 仿真结果将激励线圈放在缺陷正上方,通过对不同频率下的磁场信号进行比较,选取6000Hz 的最佳激发频率进行激发.截取了缺陷附近30mm 30mm 范围,从铝板表层到深度1mm 的节点电流值,发现在线圈有效激励范围之内,缺陷附近电流在缺陷两端产生的磁场出现汇聚.电流清晰的显示了缺陷部分的变化趋势.将截面锁定在铝板表层,放大后的情景如图3所示.图3 缺陷附近的电流矢量分布在铝板表层到深度1mm,缺陷附近30mm 30mm 范围内磁场分布如图4.在大范围内激励线圈磁场占主导地位,在缺陷附近,感应电流所产生的磁场占据优势.在图中可以看出磁场从缺陷下端向下,在缺陷上端方向逐渐朝上的趋势,这样在缺陷下端会出现B z 的最小值,在上端出现B z 的最大值.图4 仿真缺陷周围磁场分布2.1.4 缺陷测量根据趋肤深度公式,及各种激发频率下结果进行比较,对不同6000Hz 激发频率下铝板上方0.1mm 处沿缺陷方向20mm 长度范围内的磁场B z 数据进行了采集.结果如图5所示.图5 磁场二维分布从图5中可以看出缺陷长度为10mm(在5~15mm 之间).在一维数据的基础上,测量高度0.1mm,缺陷正上方15m m 15mm 范围内磁场分布如图6所示.在缺陷两端分别出现了一个磁场的极值,两个极值之间的距离就是缺陷长度.可以看到磁场信息清晰准确地显示了缺陷位置和长度.25冯蒙丽,等:ANSYS 在电磁无损检测中的应用图6 沿缺陷方向20mm 长度范围内磁场此外,利用仿真模型可以检验在不同深度下的缺陷检测的效果.可以用来预测在不同深度,不同测量高度下磁场信号所反映信息的准确度.2.2 涡流检测仿真简介在涡流检测中,大量的数值分析也是依靠有限元仿真来实现的,尤其是针对检测线圈的优化设计,模拟实际检测条件进行分析,可以方便迅速的得到探头设计中元件的最佳位置,理论上,可对各种条件下的缺陷进行仿真,而不需要大量的人工缺陷式样.图7为铝合金厚板上长方形裂纹的涡流检测.图7 涡流检测ANSYS 仿真模型图8为钢管远场涡流缺陷检测模型.图8 钢管远场涡流缺陷检测模型三维仿真结果可将电流磁场情况直观的表现出来.此外针对管道检测[20](铁磁性管道腐蚀远场涡流检测性能的改进,涡流检测的数值模拟与缺陷定量分析),通过数值模拟在传感器改进,性能检测方面都取得了一定成果.3 结束语利用仿真模型给出了ACFM 检测的最佳激发频率,磁场以及电流分布清晰的显示了缺陷长度信息,仿真得到B z 曲线与ACFM 理论相符.涡流检测的相关结果也显示了仿真模拟的可靠性.随着时代的发展,无损检测对信号精度的要求越来越高,对实验方法、仪器改进也越加迫切,单纯的实验测量获取数据具有周期长,数据少,成本高,尤其对新测量方法(ACFM)数据获取难,设备改进不方便等缺点,已经远远不能满足当前研究的要求,而仿真技术随着大型有限元软件的不断开发,尤其是ANSYS 的出现,有效地弥补了以上不足,可以针对各种模型,缺陷,探测器进行仿真模拟,从而达到较快完善新测试方法,对各种探测方法、探测器进行比较改进,获取最佳测试参数(激发频率,探测高度,探测线圈尺寸)的目的,同时,针对各种实际情况,有效的模拟也可以为其提供有价值的前期参考,以节省大量的人力物力.此外,随着近年来各种电磁反演技术的发展,有效快速的仿真可以方便地获得尽可能多的数据对现有的反演技术进行验证,从而促进成像技术的完善,推动无损检测可视技术的快速发展.可以预见,随着数字技术的不断进步,更快速、更可靠和低成本的无损检测设计将更广泛地被(有限元方法在涡流传感器设计中的应用)采用.参考文献:[1] 丁鸿佳,刘士杰.我国弱磁测量研究的进展[J].地球物理学报,1997(40):238-248.[2] 程志虎,蒋安之.水下无损检测技术的发展[J].无损检测,1998,20(8):232-235.[3] 刘贵民,马丽丽,郑铁军.无损检测技术在再制造工程中的应用展望[J].中国表面工程,2006,19(5):118-120.[4] 宋生奎,宫敬,胡利明,等.油气管道内检测技术研究进展[J].石油工程建设2005,30(2):10-13.[5] 夏灵,肖国臻,吕维雪.生物电磁学的研究动态[J].生物物理学报,1997,13(3):519-524.[6] 安治永,李应红,梁华,等.无损检测在航空维修中的应用[J].无损检测,2006,28(11):598-601.[7] 元和平.电磁检测技术装备及应用[J].石油机械,2005,33(1):77-80.[8] Fleet E F,Chatraphorn S,Wellstood F C.HTs ScanningS QUID Microscopy of Active Circuit [J].IEEE transaction on applied superconductivity ,1999,9(2):4103-4106.[9] chatraphorn S,Fleet E F,Wellstood F C,et al.ScanningS QUID microcopy of integrated circuits[J].Applied physicsletter,2000,76(16):2304-2306.(下转第29页)26四川兵工学报4.3 页面构件实现页面构件用来接收用户的输入数据,传输给XML 总线,并从XML 总线接收结果数据,进行输出.实现一个!添加∀页面,用来输入新增记录的信息.页面显示如上图5所示.图5 !添加∀页面显示4.4 展现构件实现展现构件充当业务导航的功能.现以往学生信息表插入新记录为例.当在页面构件中填入新记录信息,点击!添加∀按钮后,调用!添加∀展现构件.展现构件如图6所示.图6 !添加∀展现构件的实现展现构件先调用!添加∀业务构件,往数据库中插入记录,根据插入成功与否,返回一个判断值.然后展现构件根据判断值,决定调用哪个页面进行展现.可见,按构件化的思想进行设计,很容易实现了学生选课系统.构件化思想,建立了B/S 的多层体系结构,简化了开发过程,便于进行系统的维护,有利于实现代码的可重用性.当系统功能需要扩充时,我们只需要在原有的系统上对相应的构件进行扩充,而不需要去修改其他的构件,有利于实现功能扩充.5 结束语J2EE 提供了一套多层分布式计算体系规范,极大地提高了Web MIS 的开发效率.EOS 是一个构件化的虚拟层,对J2EE 的每个层次作了一个构件化的解析.基于EOS 平台的构件化思想,封装了Web MIS 的基本元素,通过XML 总线交换数据,简化了构件间的数据接口,降低了开发的复杂性,提高了代码的可复用性.随着Web MIS 的发展,基于构件化思想系统的开发和实现,必将得到广泛应用.参考文献:[1] 曾亮,齐欢.基于J2EE 核心模式的组合Web 框架研究[J].华中科技大学学报,2007,35(6):43-46.[2] 迟瑞楠.基于J2ME 和J2EE 的移动电子商务系统研究[J].微型计算机信息,2007(12):152-154.[3] 曾小宁,黎明.基于XML 的数据交换中间件的研究与实现[J].计算机工程与设计,2007(12):2999-3002.[4] 莫赓,钟华,魏俊.一个面向电子政务的信息交换与共享平台的设计与实现[J].计算机应用研究,2005(5):156-159.(上接第26页)[10]Fleet E,Gilbertson A,Chatraphorn S,et al.Imaging Defectsin Cu clab NbTi Wire Using a High TcScanning SQUID M i croscope [J].IEEE transaction on applied superconductiv ity,2001,11(1):215-218.[11]孙朝明,徐彦霖,刘宝.有限元方法在涡流传感器设计中的应用[J].传感器技术,2005,24(10):80-83.[12]倪春生,陈国明,张彦廷.交流电磁场检测探头激励线圈的数值仿真及优化.中国石油大学学报:自然科学版,2007,31(2):100-103.[13]孙朝明,徐彦霖,刘宝.有限元方法用于涡流电磁场计算的有效性分析[J].无损检测,2006,28(11):561-564.[14]闫照文,李朗如.电磁场有限元分析的优秀软件.设计与研究,2003,36(3):27-29.[15]唐兴伦,范群波,张朝晖,等.ANSYS 工程应用教程热与电磁学篇[M].北京:中国铁道出版社,2003:150-168.[16]Naser S Alzayed,Chang xin Fan,D.F.Lu,K.W.Wong ,Marvin Ches ter,David E.Knapp.Deep Nondestructive Testing using a Bulk Hi gh T,rf SQUID[J].Ieee transaction on applied superconductivity 1994,4(2):81-86.[17]孙瑜,罗飞路,赵东明.利用交变磁场测量法的金属表面缺陷检测[J].测控技术,2004,23(2):44-45.[18]赵凯华,陈熙谋.电磁学[M ].2版.北京:高等教育出版社,1985.[19]Sun Yu,Luo Fei lu,Zhao Dong mi ng ,Defect T est of MetalSurface with Alternating Current Field Measurement Method[J].Measurement and Con trol Technique,2004,23(2):44-45.[20]徐小杰,罗飞路,刘春艳,等.铁磁性管道腐蚀远场涡流检测性能的改进[J].测试技术学报,2006,20(5):461-466.[21]孙朝明,徐彦霖,刘宝.涡流检测的数值模拟与缺陷定量分析[J].工具技术,2007,41(1):107-110.29焦桂芝,等:基于构件的Web MIS 的设计与实现。
