管道漏磁内检测缺陷漏磁场二维ANSYS仿真过程.docx
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管道漏磁内检测缺陷漏磁场二维ANSYS仿真过程
A.2管道漏磁内检测缺陷漏磁场二维ANSYS仿真
A.2.1问题描述
管径为377mm,管壁厚度为8mm,对于二维几何模型来讲,管道检测装置是一个完全轴对称的图形,只需要建立1/4实体模型。
模型包括管壁、磁化器、永磁体、钢刷和轭铁。
图A.1中A1表示内缺陷的实体,深50%,长2cm,处于两个磁极中间;A2、A4为永磁体,厚3cm,长8cm,矫顽力为896000Oe,相对磁导率为1.05;A3、A5为钢刷,厚5cm,长8cm,相对磁导率为186000;A7为轭铁,厚2cm,长36cm,相对磁导率为186000;A10为管壁,厚8mm,长46cm,采用X52号钢,它的磁特性如表4.2成非线性,B-H曲线如图4.2所示;A6、A8、A9为空气域,是由包围检测装置和管壁的空气域分割而成,管壁外取5cm宽的空气域,空气的相对磁导率为1。
以Y轴为对称轴(管壁轴向延伸方向),坐标原点取在管道中心,建立仿真模型。
A.2.2ANSYS仿真GUI(图形用户界面)操作方法
1.创建物理环境
(1)过滤图形界面
GUI:
MainMenu>Preferences,弹出图A.2界面对话框,选中“Magnetic-Nodal”(磁场-节点分析),对后面的分析进行菜单及相应的图形界面过滤。
图A.2过滤图形界面
(2)定义工作标题
UtilityMenu>File>ChangeTitle,在弹出的对话框中输入“MFLAnalysis”,单击“OK”,如图A.3所示。
图A.3定义工作标题
(3)指定工作名
UtilityMenu>File>ChangeJobname,在弹出的对话框中输入“MFL_2D”,单击“OK”,如图A.4所示。
图A.4指定工作名
(4)指定工作目录
UtilityMenu>File>ChangeDirectory,弹出“ChangeWorkingDirectory”对话框,选择(建立)工作目录“E:
\MFL_ANSYS”,单击“确定”,如图A.5所示。
图A.5指定工作目录
(5)定义单元类型和选项
GUI:
MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete,弹出“ElementTypes”单元类型对话框,如图A.6(a)所示。
单击“Add…”按钮,弹出“LibraryofElementTypes”单元类型库对话框,如图A.7所示。
在该对话框左面滚动栏中选择“MagneticVector”,在框右面滚动栏中选择“VectQuad4nod13”,单击“OK”,定义了“PLANE13”单元,如图A.6(b)所示。
(a)(b)
图A.6单元类型对话框
图A.7单元类型库对话框
在“ElementTypes”对话框中单击“Options”按钮(如图A.6(b)所示),弹出“PLANE13elementtypeoptions”单元类型选项对话框,如图A.8所示。
在“Elementbehavior”后面的下拉式选择栏中选择“Axisymmetric”,将PLANE13单元属性修改为轴对称,单击“OK”退出此对话框,得到图A.6(b)所示的结果。
最后单击“Close”,关闭单元类型对话框。
图A.8单元类型选项对话框
(6)定义材料属性
GUI:
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels,弹出“DefineMaterialModelBehavior”对话框,如图A.9所示。
在右边的栏中连续双击“Electromagnetics>RelativePermeability>Constant”后,又弹出“PermeabilityforMaterialNumber1”对话框,如图A.10所示,在该对话框中“MURX”后面的输入栏输入“1”,单击“OK”。
至此完成了相对磁导率为的1号材料的定义,用于空气域和缺陷。
单击“Material>NewModel”弹出“DefineMaterialID”,在“DefineMaterialID”后面输入材料号为“2”,如图A.11,单击“OK”。
在“DefineMaterialModelBehavior”对话框中左边栏单击“MaterialModelNumber2”,在右边的栏中连续双击“Electromagnetics>RelativePermeability>Constant”后又弹出“PermeabilityforMaterialNumber2”对话框,在该对话框中“MURX”后面的输入栏输入“1.05”,单击“OK”;继续在右边的栏中连续双击“Electromagnetics>CoerciveForce>Constant”后又弹出“PermeabilityforMaterialNumber2”对话框,在该对话框中“MGXX”后面的输入栏输入“896000”,如图A.12所示,单击“OK”。
至此完成了相对磁导率为的1.05,矫顽力为896000的2号材料定义,用于永磁体(N极)。
图A.9定义材料属性对话框
图A.10定义相对磁导率A.11定义新材料
图A.12定义矫顽力
单击“Edit>Copy”弹出“CopyMaterialModel”,如图A.13所示,单击“OK”,在“fromMaterialnumber”栏后面下拉式选择栏中选择材料号为“2”;在“toMaterialnumber”栏后面的输入栏中输入材料号为“3”。
,单击“OK”,把2号材料的属性复制给3号材料。
在“DefineMaterialModelBehavior”对话框中左边栏依次双击“MaterialModelNumber3”和“CoerciveForce(const)”,在弹出的“CoerciveForceforMaterialNumber3”对话框中“MGXX”后面的输入栏输入“-896000”,单击“OK”。
至此完成了相对磁导率为的1.05,矫顽力为-896000的3号材料定义,用于永磁体(S极)。
图A.13复制材料属性
单击“Edit>Copy”,在“fromMaterialnumber”栏后面下拉式选择栏中选择材料号为“1”;在“toMaterialnumber”栏后面的输入栏中输入材料号为“4”。
,单击“OK”,把1号材料的属性复制给4号材料。
在“DefineMaterialModelBehavior”对话框中左边栏依次双击“MaterialModelNumber4”和“Permeability(constant)”,在弹出的“PermeabilityforMaterialNumber4”对话框中“MURX”后面的输入栏输入“186000”,单击“OK”。
至此完成了相对磁导率为186000的4号材料定义,用于轭铁。
单击“Material>NewModel”弹出“DefineMaterialID”对话框,在“DefineMaterialID”后面输入材料号为“5”,单击“OK”。
在“DefineMaterialModelBehavior”对话框中左边栏单击“MaterialModelNumber5”,在右边的栏中连续双击“Electromagnetics>BHCurve”后,弹出“BHCurveforMaterialNumber5”定义材料B-H曲线对话框,如图A.14所示。
在H和B里依次输入相应的值,每输入完一组B-H值,点击右下角的“AddPoint”按钮,然后继续输入,直到输入完足够的点为止。
最后获得如图A.14所示的15个点。
输入完材料B-H值后,可以用图形方式查看B-H曲线。
单击图A.14中的“Graph”,选择“BH”,便可显示B-H曲线,如图A.15所示。
图A.14输入材料B-H曲线
图A.15材料5的B-H曲线
5种材料属性输入完成后,得到的结果如图A.16所示,最后单击“Material>Exit”结束。
图A.16材料属性定义结果
查看材料列表:
UtilityMenu>List>Properties>AllMaterials,弹出“MPLISTCommand”信息窗口,如图A.17所示。
信息窗口列出了所有定义的材料及其属性,确认无误后,单击信息窗口“File>Close”关闭窗口。
图A.17材料列表信息窗口
2.建立模型,赋予特性,划分网格
(1)定义分析参数
UtilityMenu>Parameters>ScalarParameters,弹出“ScalarParameters”对话框,如图A.18所示。
在“Selection”输入行中输入“DEPTH=50”(缺陷深度50%),单击“Accept”。
然后依次在“Selection”输入行中分别输入“LENGTH=0.02”(缺陷长度2cm)和“T=0.008”(管壁厚度8mm),并单击“Accept”按钮确认,最后输入完成后,单击“Close”,关闭“ScalarParameters”对话框,其输入参数的结果如图A.18所示。
(2)打开面积区域编号显示
UtilityMenu>PlotCtrls>Numbering,弹出“PlotNumberingCnotrols”对话框,如图A.19所示。
选中“AreaNumbers”选项,后面的文字由“off”变为“on”,单击“OK”关闭窗口。
图A.18输入参数对话框图A.19显示面积区域编号对话框
(3)建立平面(2D)几何模型
①建立矩形区域
GUI:
MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>ByDimensions,弹出“CreateRectangleByDimension”对话框,如图A.20所示。
在“X-coordinates”后面的输入栏中分别输入“0.085”和“0.105”,在“Y-coordinates”后面的输入栏中分别输入“0.05”和“0.41”,单击“Apply”。
图A.20生成矩形对话框
在“X-coordinates”后面的输入栏中分别输入“0.105”和“0.135”,在“Y-coordinates”后面的输入栏中分别输入“0.05”和“0.13”,单击“Apply”。
在“X-coordinates”后面的输入栏中分别输入“0.105”和“0.135”,在“Y-coordinates”后面的输入栏中分别输入“0.33”和“0.41”,单击“Apply”。
在“X-coordinates”后面的输入栏中分别输入“0.135”和“0.185”,在“Y-coordinates”后面的输入栏中分别输入“0.05”和“0.13”,单击“Apply”。
在“X-coordinates”后面的输入栏中分别输入“0.135”和“0.185”,在“Y-coordinates”后面的输入栏中分别输入“0.33”和“0.41”,单击“Apply”。
在“X-coordinates”后面的输入栏中分别输入“0.185”和“0.193”,在“Y-coordinates”后面的输入栏中分别输入“0.0”和“0.46”,单击“Apply”。
在“X-coordinates”后面的输入栏中分别输入“0.185+T*DEPTH*0.01”和“0.193”,在“Y-coordinates”后面的输入栏中分别输入“0.23-0.5*LENGTH”和“0.23+0.5*LENGTH”,单击“Apply”。
在“X-coordinates”后面的输入栏中分别输入“0.0”和“0.243”,在“Y-coordinates”后面的输入栏中分别输入“0.0”和“0.46”,单击“OK”。
②几何模型布尔运算
GUI:
MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Overlap>Areas,弹出“OverlapAreas”拾取框,如图A.21所示。
单击“PickAll”按钮,对所有的面积进行叠分操作。
③区域编号压缩操作
叠分操作后各部分面积区域将重新编号,并可能不是连续的区域序号,为此进行面积区域编号压缩操作,GUI:
MainMenu>Preprocessor>NumberingCtrls>CompressNumbers,弹出“CompressNumbers”对话框,如图A.22所示。
单击“PickAll”按钮,对所有的面积进行叠分操作。
图A.21面积叠分图A.22面积区域编号压缩对话框
④重新显示几何模型
UtilityMenu>Plot>Replot,最后得到管道漏磁检测的二维几何模型,如图A.23所示。
图A.23管道漏磁检测二维几何模型
⑤保存数据结果
单击工具栏“SAVE_DB”或“SaveAnalysis”按钮,上面操作结果保存在文件“MFL_2D.db”中,可通过单击“RESUM_DB”按钮重新调用。
(4)给各面赋予特性(材料属性、单元类型)
GUI:
MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshAttributes>PickedAreas,弹出一个“AreaAttributes”面拾取框,如图A.24所示。
在图形界面上拾取编号为“A1”、“A6”、“A8”和“A9”的面,或者直接在拾取框的输入栏输入“1,6,8,9”并回车,单击拾取框上的“OK”按钮,又弹出一个如图A.25所示的“AreaAttributes”对话框,在“Materialnumber”后面的下拉式选择栏中选取“1”,给空气区域和缺陷区域输入材料属性为“1号材料”,在“Elementtypenumber”后面的下拉式选择栏中选取“1PLANE13”。
重复上述过程,A2(永磁体)区域输入材料属性为“2号材料”,A4(永磁体)区域输入材料属性为“3号材料”,A3(钢刷)、A5(钢刷)和A7(轭铁)区域输入材料属性为“4号材料”,A10(管壁)区域输入材料属性为“5号材料”。
查看面区域属性列表:
UtilityMenu>List>Area,弹出“ALISTCommand”信息窗口,如图A.26所示。
信息窗口列出了所有面区域的属性,确认无误后,单击信息窗口“File>Close”关闭窗口。
图A.24面拾取框图A.25给各面赋予特性对话框
图A.26面区域属性列表信息窗口
(5)网格划分
①选择所有实体(区域):
UtilityMenu>Select>Everything。
②面网格划分
GUI:
MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshTool,弹出一个“MeshTool”网格划分工具对话框,如图A.27所示。
在“Mesh”后面的下拉选择栏中选择“Areas”,在“Mesh”后面的下拉选择栏中选择“Areas”,选中“SmartSize”单选框,下面的滚动条移到“Fine”一侧,在网格形状“Shap”后面的单选框中选择“Quad”(四边形),在其下的划分网格控制单选框中选“Free”(自由划分),单击“Mesh”按钮,弹出一个网格划分面拾取框,单击“PickAll”按钮,如图A.28所示。
对面进行智能自由网格划分,网格形状是四边形。
网格密度“1级”(最密)。
网格进一步细划分:
在“MeshTool”网格划分工具对话框上,在“Refineat:
”后面的下拉选择栏中选择“Areas”,如图A.29所示,单击“Refine”按钮,弹出如图A.28所示网格划分面拾取框,单击“PickAll”按钮,弹出如图A.30所示网格细划对话框,单击“OK”按钮完成网格细化,密度是原来的2倍。
图A.27网格划分工具对话框图A.28网格划分面拾取框图A.29网格细化选择对话框
图A.30所示网格细划确认对话框
单击“MeshTool”上的“Close”按钮,关闭网格划分工具对话框,生成的网格结果如图A.31所示。
图A.31生成的有限元网格
3.加载并求解
(1)加载
永磁体是本模型的励磁源,也是系统的载荷,在材料描述时已经对它的磁特性进行了定义。
ANSYS会自动将其转化为等效的电流并加载到模型上,所以不用单独在施加任何载荷。
在空气边界上要施加远场方向标志,对称轴在设定单元特性时已经说明,不需要在施加约束。
(2)求解运算
GUI:
MainMenu>Solution>Solve>Electromagnet>Opt&Solv,弹出一个对话框,如图A.32所示。
单击对话框上的“OK”按钮,开始求解运算,直到出现“Solutionisdone”提示栏,如图A.33所示,表示求解结束,单击对话框上的“Close”按钮,完成求解运算,弹出求解迭代过程曲线,如图A.34所示。
图A.32电磁场问题求解对话框
图A.33求解结束对话框
图A.34求解迭代过程曲线
4.查看计算结果
(1)显示磁力线分布
GUI:
MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>2DFluxLines,弹出一个显示磁力线的控制对话框,修改“Numberofcontourlines”后面文本框中的数字为“100”(磁力线密度),如图A.35所示,单击“OK”按钮,出现磁力线分布图,如图A.36所示。
图A.35显示磁力线控制对话框
图A.36磁力线分布图
(2)显示磁矢量图
GUI:
MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>VectorPlot>2DFluxLines,弹出一个显示磁矢量的控制对话框,在“Vectoritemtobeplotted”后面的选择栏中选取“Flux&gradient”,在其后面的选择栏中选取“MagfluxdensB”,如图A.37所示,单击“OK”按钮,出现磁矢量图,如图A.38所示。
图A.37显示磁矢量的控制对话框
图A.38磁矢量图
(3)显示磁感应强度沿路径分布曲线
①定义路径
GUI:
MainMenu>GeneralPostproc>PathOperations>DefinePath>ByLocation,弹出“ByLocation”路径设置对话框,如图A.39所示,在“DefinePathName”输入栏输入“path”,单击“OK”按钮,弹出一个全局笛卡尔坐标系中定义路径点的对话框,如图A.40所示。
在“Pathpointnumber”输入栏中输入“1”,在“LocationinGlobalCS”后面的三个输入栏中分别输入“0.184”、“0.205”、“0”,单击“OK”按钮。
在定义路径点的对话框中,在“Pathpointnumber”输入栏中输入“2”,在“LocationinGlobalCS”后面的三个输入栏中分别输入“0.184”、“0.255”、“0”,单击“OK”按钮。
在定义路径点的对话框中,单击“Cancel”按钮,完成距管壁1mm(提离值),距缺陷中心前后个25mm的路径“path”定义。
图A.39路径设置对话框
图A.40定义路径点的对话框
②在模型上显示路径
GUI:
MainMenu>GeneralPostproc>PathOperations>PlotPaths,在模型上显示路径轨迹,如图A.41所示。
图A.41在模型上显示路径轨迹
③在路径上映射磁感应强度
GUI:
MainMenu>GeneralPostproc>PathOperations>MapontoPath,弹出“MapResultItemsontoPath”对话框,如图A.42所示,在“CompItemtobemapped”后面的选择栏中选取“Flux&gradient”,在其后面的选择栏中选取“MagfluxdensBX”,如图A.42所示,单击“OK”按钮。
再打开“MapResultItemsontoPath”对话框,在“CompItemtobemapped”后面的选择栏中选取“Flux&gradient”,在其后面的选择栏中选取“MagfluxdensBY”,单击“OK”按钮。
完成在路径“path”上映射磁感应强度径向分量BX和轴向分量BY。
图A.42路径上映射磁感应强度对话框
④显示磁感应强度沿路径分布曲线
GUI:
MainMenu>GeneralPostproc>PathOperations>PlotPathItem,弹出“PlotofPathItemsonGragh”对话框,在选择栏中选取“BX”和“BY”,如图A.43所示,单击“OK”按钮。
出现磁感应强度沿路径分布曲线,如图A.44所示。
图A.43磁感应强度沿路径分布曲线选择对话框
图A.44磁感应强度沿路径分布曲线
A.2.3APDL语言命令流实现ANSYS仿真
/FILNAME,MFL_2D,0
/TITLE,MFL_2D
*SET,DEPTH,50
*SET,LENGTH,0.020
*SET,T,0.008
/PREP7
UIMP,1,MURX,,,1,
UIMP,2,MURX,,,1.05,
UIMP,2,MGXX,MGYY,MGZZ,-896000,,,
UIMP,3,MURX,,,1.05,
UIMP,3,MGXX,MGYY,MGZZ,896000,,,
UIMP,4,MURX,,,186000,
TB,BH,5,,15,,
TBMODIF,1,1,500
TBMODIF,1,2,0.39
TBMODIF,2,1,1000
TBMODIF,2,2,0.82
TBMODIF,3,1,2000
TBMODIF,3,2,1.3
TBMODIF,4,1,2500
TBMODIF,4,2,1.44
TBMODIF,5,1,3000
TBMODIF,5,2,1.51
TBMODIF,6,1,4000
TBMODIF,6,2,1.61
TBMODIF,7,1,5000
TBMODIF,7,2,1.69
TBMODIF,8,1,6000
TBMODIF,8,2,1.73
TBMODIF,9,1,7000
TBMODIF,9,2,1.77
TBMODIF,10,1,8000
TBMODIF,10,2,1.8
TBMODIF,11,1,9000
TBMODIF,11,2,1.83
TBMODIF,12,1,10000
TBMODIF,12,2,1.84
TBMODIF,13,1,15000
TBMODIF,13,2,1.95
TBMODIF,14,1,20000
TBMODIF,14,2,2.01
TBMODIF,15,1,24000
TBMODIF,15,2,2.05
ET,1,PLANE13
KEYOPT,1,3,1
RECTING,0.085,0.105,0.05,0.41,
RECTING,
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- 管道 漏磁内 检测 缺陷 磁场 二维 ANSYS 仿真 过程