金屬管道瞬變電磁檢測(cè)有限元分析

XX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題題目目： 金屬管道瞬變電磁檢測(cè)有限元分析金屬管道瞬變電磁檢測(cè)有限元分析 學(xué)學(xué)院：院：測(cè)試與光電工程學(xué)院測(cè)試與光電工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)：專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)：測(cè)控技術(shù)與儀器測(cè)控技術(shù)與儀器 班級(jí)學(xué)號(hào)：班級(jí)學(xué)號(hào)： 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 二二 Oxx 年年 六六月月 金屬管道瞬變電磁檢測(cè)有限元分析金屬管道瞬變電磁檢測(cè)有限元分析 摘要：眾所周知，金屬管道已被廣泛應(yīng)用于石油、天然氣、水等資源運(yùn)輸，但是隨 著管道使用年限的增金屬管道的侵蝕已不可避免。 侵蝕將會(huì)極大的縮短管道的使用年 限。瞬變電磁法利用瞬變電磁手段評(píng)估金屬管道的剩余壁厚，是一種建立在電磁感應(yīng) 原理基礎(chǔ)上的時(shí)間域人工源電磁探測(cè)方法。因?yàn)樗沧冸姶艡z測(cè)法具有簡(jiǎn)單易行、信息 量豐富、耦合噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，并可實(shí)現(xiàn)在役、非開(kāi)挖檢測(cè)，瞬變電磁檢測(cè)法已經(jīng)被越 來(lái)越多的應(yīng)用于埋地金屬管道檢測(cè)。 ANSYS 是專(zhuān)業(yè)的有限元分析軟件， 其功能強(qiáng)大在多領(lǐng)域多變工程問(wèn)題的求解有著 廣泛的應(yīng)用。它可以非常方便的對(duì)各種實(shí)際中的工程問(wèn)題進(jìn)行建模和求解，并可以直 觀地體現(xiàn)目前還不易觀測(cè)、任何試驗(yàn)都無(wú)法看到的發(fā)生在構(gòu)造內(nèi)部的一些物理現(xiàn)象， 且 ANSYS 的仿真結(jié)果與實(shí)際十分接近， 于是可以利用 ANSYS 仿真瞬變電磁法對(duì)金屬管 道的檢測(cè)，為瞬變電磁檢測(cè)金屬管道的機(jī)理提供依據(jù)。 關(guān)鍵詞：瞬變電磁檢測(cè)，金屬管道，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 目目錄錄 1緒論 1.1瞬變電磁檢測(cè)發(fā)展及研究現(xiàn)狀.（1） 1.2埋地金屬管道瞬變電磁檢測(cè)法的特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì).（2） 2瞬變電磁理論分析 2.1瞬變電磁法檢測(cè)基本原理.（4） 2.2時(shí)域電磁場(chǎng)的理論基礎(chǔ).（4） 2.2.1 微分形式的麥克斯韋方程（4） 2.2.2 積分形式的麥克斯韋方程和電磁場(chǎng)的邊界條件（5） 2.3瞬變電磁檢測(cè)法信號(hào)的分析.（7） 2.3.1 瞬變電磁信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍（7） 2.3.2 瞬變電磁信號(hào)的衰減特性和頻帶（7） 2.3.3 瞬變電磁信號(hào)的取樣（8） 2.4瞬變電磁法常用的激發(fā)場(chǎng)波形.（8） 3有限元分析方法及 ANSYS 簡(jiǎn)介 3.1有限元分析方法簡(jiǎn)介.（10） 3.2有限元分析法的特點(diǎn).（10） 3.3ANSYS 簡(jiǎn)介（10） 4埋地金屬管道的 ANSYS 三維仿真分析 4.1創(chuàng)建埋地金屬管道三維模型的物理環(huán)境.（12） 4.2三維仿真模型的建立.（13） 4.3三維仿真模型的網(wǎng)格劃分.（16） 4.3施加載荷及邊界條件.（17） 4.4求解及后處理過(guò)程.（18） 4.5三維管道模型仿真結(jié)果分析.（20） 4.6不同壁厚的金屬管道仿真結(jié)果分析.（21） 5總結(jié) 參考文獻(xiàn) （25） 致謝 （26） 1 金屬管道瞬變電磁檢測(cè)有限元分析金屬管道瞬變電磁檢測(cè)有限元分析 1 1 緒論緒論 1.11.1 瞬變電磁檢測(cè)發(fā)展及研究現(xiàn)狀瞬變電磁檢測(cè)發(fā)展及研究現(xiàn)狀 瞬變電磁檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用始于 20 世紀(jì) 30 年代， 當(dāng)時(shí)瞬變電磁檢測(cè)法是由前蘇聯(lián) 科學(xué)家 1提出被用于完善解決地質(zhì)結(jié)構(gòu)問(wèn)題。從這以后前蘇聯(lián)科學(xué)家經(jīng)過(guò)近三十年堅(jiān) 持不懈的努力，TEM（Transient Electromagnetic Method)的一維正演和反演被成功推 到出。從這以后 TEM 發(fā)展十分迅速，隨著瞬變電磁檢測(cè)法的詮釋理論和實(shí)踐理論的建 立，瞬變電磁檢測(cè)法已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用階段 2。 國(guó)外，自從二十世紀(jì) 70 年代以來(lái)，通過(guò)利用瞬變電磁法，前蘇聯(lián)科學(xué)家開(kāi)展了 大量的實(shí)驗(yàn)工作。除此之外， 大洋洲和北美等國(guó)的科學(xué)家也在瞬變電磁的理論和實(shí)踐 兩方面做了研究，這使得瞬變電磁法的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展。此時(shí)，TEM 已經(jīng)在 軍事檢測(cè)、考古檢測(cè)、油氣勘探、工程勘察和環(huán)境調(diào)查等多方面有著廣泛的應(yīng)用 34； 與此同時(shí)，在 TEM 儀器設(shè)備方面也取得了很大的成功，一些著名的全球儀器儀表公 司也先后推出了不同種類(lèi)的瞬變電磁檢測(cè)儀器。例如美國(guó) ZONGE 公司生產(chǎn)的 GDP-32 系統(tǒng)；澳大利亞 SIROTEM 儀器等。這些儀器的最大的特性就是瞬變電磁 檢測(cè)系統(tǒng)的接收機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)全智能化， 這使得 TEM 系統(tǒng)能夠形成多功能的工作平臺(tái)。 國(guó)內(nèi)，對(duì)于瞬變電磁檢測(cè)法的探索興起于上個(gè)世紀(jì)七十年代，中南大學(xué)和地礦部 物化探研究所等機(jī)構(gòu)率先對(duì)瞬變電磁法進(jìn)行了研究。在一維和二維正演 5和反演、瞬 變電磁理論的研究、 野外實(shí)驗(yàn)和儀器的研制等方面它們做出了很大的貢獻(xiàn)。 與此同時(shí)， 有關(guān) TEM 方面的書(shū)籍也隨之涌現(xiàn)出來(lái)，例如牛之璉編著的時(shí)間域電磁法原理 6 和王長(zhǎng)清、祝西里編著的瞬變電磁場(chǎng)的理論和計(jì)算等。近年來(lái)由于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需 要，國(guó)內(nèi) TEM 儀器的發(fā)展也十分迅速。廊坊物化探研究所研制的 IGGETEM 系列瞬變 電磁儀，中南大學(xué)的 SD 系列瞬變電磁儀器，吉林大學(xué)研制的 ATEM 系列瞬變電磁儀 等。經(jīng)歷了二十多年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)的瞬變電磁檢測(cè)法已經(jīng)在災(zāi)害、環(huán)境監(jiān)測(cè)和工程檢 測(cè)等方面有了廣泛的應(yīng)用。在工程勘探范疇的應(yīng)用研究，國(guó)內(nèi)對(duì)此方面的研究變得越 來(lái)越活躍，利用瞬變電磁法檢測(cè)地下的礦物質(zhì)一直以來(lái)都是很重要的途徑。另外在檢 測(cè)石油運(yùn)輸管道腐蝕 78狀況方面，國(guó)內(nèi)的王淑英和黃桂柏，通過(guò)對(duì)輸油管道的實(shí)地 檢測(cè)，成功的驗(yàn)證了瞬變電磁法能夠檢測(cè)埋地輸油管道的腐蝕狀況，但是瞬變電磁檢 2 測(cè)法在對(duì)埋地金屬管道小面積的比較嚴(yán)重的點(diǎn)狀腐蝕的檢測(cè)靈敏度還比較低， 檢 測(cè)的準(zhǔn)確性較低。盡管雜散電流和外界磁場(chǎng)等外界條件對(duì)檢測(cè)的結(jié)果具有較大的影 響，對(duì)于埋地金屬管道的瞬變電磁檢測(cè)這已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。瞬變電磁檢測(cè)的方法 在對(duì)埋地金屬管道腐蝕狀況的檢測(cè)過(guò)程中可以試驗(yàn)不停輸和不開(kāi)挖的在役檢測(cè)， 對(duì)金 屬管道以及金屬管道內(nèi)傳輸?shù)奈镔|(zhì)對(duì)沒(méi)有要求， 檢測(cè)的結(jié)果都能夠直觀的顯示埋地金 屬管道的腐蝕狀況。盡管在廣大科技工作者的共同努力下，瞬變電磁法有了很大的發(fā) 展，但我們必須認(rèn)識(shí)到在瞬變電磁的理論和計(jì)算，TEM 儀器研制等方面與國(guó)外還是 有著不小的差距， 對(duì)此我們?nèi)孕枰冻龈嗟暮顾团Γ?進(jìn)一步縮小與國(guó)外的差距。 1.21.2 埋地金屬管道瞬變電磁檢測(cè)法的特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)埋地金屬管道瞬變電磁檢測(cè)法的特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì) 周?chē)寥赖母g和雜散電流的腐蝕是造成埋地管道腐蝕的主要外界條件， 長(zhǎng)期的 腐蝕會(huì)造成埋地金屬管道穿孔現(xiàn)象的發(fā)生， 這將會(huì)極大的縮短埋地金屬管道的使用壽 命。因此， 埋地金屬管道腐蝕狀況的檢測(cè)技術(shù)水平的高低對(duì)延長(zhǎng)管道的使用壽命以及 保證工業(yè)順利生產(chǎn)有著非常重要的影響。在實(shí)施瞬變電磁法時(shí)，具有空間的可分性和 時(shí)間的可分性 9?？臻g的可分性具體指的是，無(wú)論是什么性質(zhì)的脈沖都能夠被分解為 不同的頻率的余玄信號(hào)之和，不同的延時(shí)時(shí)刻所檢測(cè)到的頻率是不同的，所以在不同 的時(shí)刻場(chǎng)在埋地金屬管道內(nèi)的傳播速度不同，檢測(cè)的深度也會(huì)有所不同。時(shí)間的可分 性具體指的是，由于檢測(cè)是在電源信號(hào)關(guān)斷以后的時(shí)間段進(jìn)行的，并且也只能解析脈 沖間隙時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)，因此也就去除了一次磁場(chǎng)的干擾。因?yàn)樯鲜鰞煞N可分性，瞬 變電磁法檢測(cè)埋地金屬管道與其它的方法相比較具有的特點(diǎn)有： （1）在評(píng)估埋地金屬管道的腐蝕程度時(shí)，瞬變電磁檢測(cè)法是在埋地金屬管道所 覆蓋的土壤上方直接檢測(cè)埋地金屬管道的缺陷，因此瞬變電磁檢測(cè)法能夠?qū)崿F(xiàn)不開(kāi) 挖、在役檢測(cè)，這樣便可極大的縮短更換和修復(fù)的時(shí)間，提高檢測(cè)的效率。 （2）瞬變電磁檢測(cè)法檢測(cè)埋地金屬管道的噪聲信號(hào)主要來(lái)自于自然電磁場(chǎng)和人 文電磁場(chǎng)，提高發(fā)射功率不僅可以增大信噪比 10，而且也能夠提高檢測(cè)的靈敏度。從 而，可以達(dá)到提高檢測(cè)深度的目的。 （3）瞬變電磁檢測(cè)法對(duì)激勵(lì)線圈的方位和形狀并沒(méi)有嚴(yán)格的要求，可依據(jù)實(shí)地 的檢測(cè)條件調(diào)整檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)，因此 TEM 檢測(cè)埋地金屬管道具有靈活、工作簡(jiǎn)單， 工作效率高等優(yōu)點(diǎn)。 總而言之，瞬變電磁法檢測(cè)技術(shù)是一種非接觸式信號(hào)加載信號(hào)的新興檢測(cè)技術(shù)， 3 將其應(yīng)用于檢測(cè)埋地金屬管道，能夠?qū)崿F(xiàn)埋地金屬管道檢測(cè)的不開(kāi)挖、在役檢測(cè)，具 有簡(jiǎn)單易行、檢測(cè)精度高等特點(diǎn)，該技術(shù)具有非常廣的應(yīng)用前景。 4 2 2 瞬變電磁理論分析瞬變電磁理論分析 2.12.1 瞬變電磁法檢測(cè)基本原理瞬變電磁法檢測(cè)基本原理 瞬變電磁法基于電磁感應(yīng)原理，它以電磁的差異作為依據(jù)，通過(guò)不接入地的回線 裝置向地下發(fā)射一次磁場(chǎng)，在一次場(chǎng)的間歇時(shí)間段內(nèi)，通過(guò)接受裝置測(cè)量出二次磁場(chǎng) 隨時(shí)間的變化，以此來(lái)達(dá)到探測(cè)地下介質(zhì)的分布特征和性質(zhì)。如圖 2-1 所示。 圖 2.1 瞬變電磁法檢測(cè)原理 2.22.2 時(shí)域電磁場(chǎng)的理論基礎(chǔ)時(shí)域電磁場(chǎng)的理論基礎(chǔ) 2.2.12.2.1 微分形式的麥克斯韋方程微分形式的麥克斯韋方程 自上個(gè)世紀(jì)以來(lái)，麥克斯韋（Maxwell)歸納了電磁學(xué)的各項(xiàng)研究成果，創(chuàng)建了論 述宏觀電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的方程組， 由此奠定了宏觀電磁場(chǎng)的理論基礎(chǔ)， 一個(gè)多世紀(jì)來(lái)， 成千上萬(wàn)的電磁場(chǎng)工程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)與麥克斯韋方程組相違背的例子， 這便使得人們堅(jiān)定不移地相信，通過(guò)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，用來(lái)解決不同類(lèi)型的宏觀 電磁場(chǎng)問(wèn)題是可行的。 在麥克斯韋方程組中，電磁場(chǎng)特性主要由四個(gè)物理參量來(lái)表示，因?yàn)殡姶艌?chǎng)本質(zhì) 上為矢量場(chǎng)，所以上述的 4 個(gè)物理參量均是矢量，分別用 E、D、H 和 B 表示,其中： E 稱(chēng)為電場(chǎng)強(qiáng)度（單位為 V/m） ，D 稱(chēng)為電通量密度或電位移矢量（單位為 C/m2),H 稱(chēng)為磁場(chǎng)強(qiáng)度（單位為 A/m),B 稱(chēng)為磁通量密度或磁感應(yīng)強(qiáng)度（單位為 Wb/m2)。 從本質(zhì)上講， 帶電粒子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流以及其空間的分布是宏觀電磁場(chǎng)產(chǎn)生的根 本原因。一個(gè)電子帶有的電荷量是電量的最基本的單位，所以電荷量的變化是不連續(xù) 的， 當(dāng)然其空間分布也是不連續(xù)的。 電磁場(chǎng)也被定義為分立的光子， 它也是不連續(xù)的。 宏觀尺度是宏觀電磁場(chǎng)成立的必要條件， 因此場(chǎng)量和電量的分立特性在宏觀尺度下都 是可以忽略的，在空間和時(shí)間上他們也都被認(rèn)為是連續(xù)的。 5 在絕大多數(shù)情況下，表示電磁場(chǎng)的各物理參量一般都是時(shí)間 t 和位矢 r 的函數(shù)。 在連續(xù)媒質(zhì)的空間中，當(dāng)宏觀尺度條件能夠被滿足時(shí)，則可以假設(shè)場(chǎng)是 r 和 t 的連續(xù) 函數(shù)并且此時(shí)具有連續(xù)的導(dǎo)數(shù)。作為電磁場(chǎng)的源或被電磁場(chǎng)所誘導(dǎo)電荷密度（單位 為 C/m3)和電流密度 J（單位是 A/m2)也假定為 r 和 t 的連續(xù)函數(shù)。在上述條件下，麥 克斯韋方程組有如下形式： ),(),(),(trJtrDtrH t （2.2.1） ),(),(trB t trE （2.2.2） ),(),(trtrD（2.2.3） 0),(trB（2.2.4） 其中和 J 還應(yīng)滿足表征電荷守恒定律的連續(xù)性方程， ),(),(.tr t trJ （2.2.5） 對(duì)于時(shí)變電磁場(chǎng)， 以上 5 個(gè)方程中只有 3 個(gè)是獨(dú)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）導(dǎo)出。 當(dāng)電磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律能夠被數(shù)學(xué)形式表征出來(lái)時(shí)， 這其實(shí)就已經(jīng)對(duì)電磁場(chǎng)中所包 含的物理參量作了某種性質(zhì)上的假定，這樣便能夠保證完成所必需的數(shù)學(xué)計(jì)算。一般 來(lái)說(shuō)，在電磁場(chǎng)中被假定的物理參量并不是無(wú)窮的，并且它們有足夠的可微性和連續(xù) 性，因此它們可以自由地交換積、微分的順序，特殊的例子只有在媒質(zhì)不連續(xù)的情況 下才會(huì)出現(xiàn)。在遇到特殊的例子時(shí)應(yīng)進(jìn)行特殊處理。 2.2.22.2.2 積分形式的麥克斯韋方程和電磁場(chǎng)的邊界條件積分形式的麥克斯韋方程和電磁場(chǎng)的邊界條件 麥克斯韋方程組的微分形式表征了電磁場(chǎng)的區(qū)域性質(zhì)，僅僅在介質(zhì)連續(xù)的區(qū)域才 適用，因?yàn)槲⒎诌\(yùn)算對(duì)被積函數(shù)的要求比積分對(duì)函數(shù)的要求更高。 考慮空間中的一個(gè)有限區(qū)域，其體積為 V，表面為 S，A 為 S 的一部分，A 的邊 界為為 C。對(duì)于 V 內(nèi)有定義的矢量函數(shù) 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) 對(duì)方程（2.2.1）和（2.2.2）在 A 上進(jìn)行積分，再利用方程（2.2.7） ，對(duì)方程（2.2.3） 和（2.2.4）在 V 上進(jìn)行積分，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) 這就是麥斯威爾方程的積分形式。 麥克斯韋方程組的積分形式是對(duì)電磁場(chǎng)的全區(qū)域的描述， 它表征的是在某一個(gè)區(qū) 域中電磁場(chǎng)的總體性質(zhì)。確切的來(lái)說(shuō)，只有在分布論的意義上積分形式和微分形式才 可以互相轉(zhuǎn)換。由于他們所表達(dá)的電磁場(chǎng)特性的角度不同，因此各有不同的作用。 因?yàn)辂溈怂鬼f方程組的積分形式適用于介質(zhì)的不連續(xù)處， 所以將其應(yīng)用于導(dǎo)出介 質(zhì)不連續(xù)處場(chǎng)量應(yīng)滿足的關(guān)系是可行的，這就是電磁場(chǎng)的邊界條件。求解微分形式的 麥克斯韋方程組必須滿足磁場(chǎng)的邊界條件。 假定有介質(zhì)1和介質(zhì)2構(gòu)成的突變交界面， 分別用下角標(biāo) 1 和 2 表征相對(duì)應(yīng)介質(zhì)中的場(chǎng)量，n 表示交界面上由媒質(zhì) 2 指向媒質(zhì) 1 的法向單位矢量，則由方程（2.2.8)（2.2.11）可導(dǎo)出交界面上場(chǎng)量應(yīng)滿足的邊界條 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為交界面上的面電流密度，s為交界面上的面電荷密度。 一般來(lái)說(shuō)，我們會(huì)把一些條件理想化，這樣就會(huì)使得一些問(wèn)題得到簡(jiǎn)化。例如， 當(dāng)導(dǎo)體的導(dǎo)電性能良好時(shí)，我們可以把導(dǎo)體的導(dǎo)電率近似的看作為無(wú)限大，并成為理 想導(dǎo)體。如果用 E、H、D 和 B 表示導(dǎo)體外面的場(chǎng)量，則對(duì)理想導(dǎo)體可得如下的邊界 條件： 0En(2.2.16) s JHn(2.2.17) s Dn(2.2.18) 0Bn(2.2.19) 如果求解區(qū)域是開(kāi)放的，則需要給出電磁場(chǎng)在無(wú)窮遠(yuǎn)處需滿足的條件。基于場(chǎng)能的有 限性要求，場(chǎng)必須滿足輻射條件。 Ac BdS t Edl AJdS DdS t Hdl SV dVDdS SV dVDdS 7 2.32.3 瞬變電磁檢測(cè)法信號(hào)的分析瞬變電磁檢測(cè)法信號(hào)的分析 依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)發(fā)射線圈中的激勵(lì)電流被瞬間關(guān)斷后，地下的導(dǎo)體 介質(zhì)將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)和一次磁場(chǎng)方向相同的感應(yīng)磁場(chǎng)12，這個(gè)感應(yīng)磁場(chǎng)也稱(chēng)為二次磁 場(chǎng)。二次磁場(chǎng)的信號(hào)強(qiáng)度隨著時(shí)間推移逐漸擴(kuò)散衰減，這個(gè)擴(kuò)散衰減的過(guò)程可以分為 早、中、晚三個(gè)階段。埋地金屬管道某實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的瞬變電磁響應(yīng)如圖 2-2 所示。 圖 2-2 埋地金屬管道某實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的瞬變電磁響應(yīng)曲線 2.3.12.3.1 瞬變電磁信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍瞬變電磁信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍 瞬變電磁信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍13很大，從一開(kāi)始的 1105uv 變到后期的 0.1uv。信號(hào) 的動(dòng)態(tài)范圍與地下導(dǎo)體介質(zhì)電阻率有關(guān)，不同的電阻率介質(zhì)具有不同的瞬變電磁響 應(yīng)。低電阻率的導(dǎo)體介質(zhì)初始瞬變電磁響應(yīng)幅度不大，但衰減速度比較慢；高電阻率 的導(dǎo)體介質(zhì)初始瞬變電磁響應(yīng)幅度很大，但衰減速度比較快。信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍不僅與 介質(zhì)的電阻率有關(guān)，而且與瞬變電磁法所檢測(cè)的試件埋深、大小和形狀等因素有關(guān)。 因?yàn)樗沧冸姶判盘?hào)的動(dòng)態(tài)范圍大，所以這就對(duì)儀器的分辨率具有較高的要求。特別是 當(dāng)所檢測(cè)的信號(hào)處于后期的信號(hào)時(shí)。 由于外部的噪聲信號(hào)很容易覆蓋較弱的瞬變電磁 信號(hào)， 因此對(duì)于后期的較弱的電磁信號(hào)需要采用有效的措施進(jìn)行放大處理或者采用有 效的信號(hào)處理技術(shù)。 2.3.22.3.2 瞬變電磁信號(hào)的衰減特性和頻帶瞬變電磁信號(hào)的衰減特性和頻帶 瞬變電磁檢測(cè)法的信號(hào)衰減速度 14在不同的時(shí)期差異比較大，在早、中期這 兩 個(gè)階段，信號(hào)的衰減速度比較快。然而相對(duì)于早、中兩個(gè)階段的衰減速度，晚期的信 號(hào)衰減速度則顯得比較慢。依據(jù)瞬變電磁的這種衰減性質(zhì)，要想精確的測(cè)定信號(hào)的衰 減性質(zhì)，在對(duì)試驗(yàn)點(diǎn)采樣時(shí)，必須要符合在相應(yīng)的時(shí)間段內(nèi)要取出足夠多的采樣點(diǎn)， 8 采樣點(diǎn)的類(lèi)型決定了采樣點(diǎn)的時(shí)間間隔。在早期和中期兩個(gè)階段，由于信號(hào)衰減的速 度比較快，因此取樣點(diǎn)的時(shí)間間隔應(yīng)取得足夠小才能夠辨別出信號(hào)的衰減特性。對(duì)于 晚期的信號(hào)特點(diǎn)，因?yàn)橥砥谶@一階段的信號(hào)衰減速度比較慢，所以在這一階段取樣點(diǎn) 的時(shí)間間隔應(yīng)取得寬一些。 瞬變電磁檢測(cè)法的信號(hào)頻帶較寬，其頻率范圍最高可以達(dá)到 104赫茲。由于信號(hào) 的頻帶范圍很寬，這其中也包括各種雜質(zhì)電磁噪聲信號(hào)，因此必須對(duì)檢測(cè)的信號(hào)數(shù)據(jù) 進(jìn)行濾波處理，并采用有效的方法用于增強(qiáng)儀器的抗干擾能力，除此之外，還應(yīng)采用 有效的手段對(duì)晚期較弱的電磁信號(hào)進(jìn)行放大用于提高信噪比。 2.3.32.3.3 瞬變電磁信號(hào)的取樣瞬變電磁信號(hào)的取樣 模擬積分取樣、模擬積分-數(shù)字化疊加取樣和數(shù)字化疊加取樣是目前各種類(lèi)型的 TEM 檢測(cè)系統(tǒng)所采用的三種取樣方式 15。模擬積分取樣指的是分時(shí)間段通過(guò)多個(gè)積 分器在電路上采集電信號(hào)，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是采樣的準(zhǔn)確度比較高，但缺點(diǎn)是對(duì)電路 的構(gòu)造要求比較嚴(yán)格，電路設(shè)計(jì)的難度比較大。采用該方法所取出的信號(hào)的特點(diǎn)是采 樣的次數(shù)、采樣的窗口寬度和采樣的時(shí)間由時(shí)標(biāo)信號(hào)確定，通常取樣的次數(shù)和取樣的 時(shí)間是固定的；數(shù)字化疊加取樣指的是經(jīng)過(guò)取樣保持電路后，首先對(duì)每個(gè)取樣點(diǎn)的信 號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，經(jīng)處理的信號(hào)直接送入計(jì)算機(jī)內(nèi)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行內(nèi)處理后，最 后再進(jìn)行軟件積分。這種方法的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、使用比較靈活，在計(jì)算機(jī)的內(nèi)部可 以通過(guò)各種方法進(jìn)行處理，用于提高儀器的性能和檢測(cè)信號(hào)的能力；模擬集成數(shù)字覆 蓋采樣是上述兩種方法相結(jié)合的抽樣方法，結(jié)合這兩種抽樣方法的優(yōu)點(diǎn)，其特點(diǎn)是早 期延遲數(shù)據(jù)分辨率較低，數(shù)據(jù)精度晚延遲較高。 2.42.4 瞬變電磁法常用的激發(fā)場(chǎng)波形瞬變電磁法常用的激發(fā)場(chǎng)波形 三角形波、方波、半正弦波、梯形波和偽隨機(jī)波等激勵(lì)信號(hào)是瞬變電磁法激勵(lì)信 號(hào)波形常用的多種周期性脈沖信號(hào)。依據(jù)傅里葉頻譜解析理論我們知道，無(wú)論是哪一 種脈沖信號(hào)都可以被分解為一系列具有不同頻率的諧波信號(hào)。因此，無(wú)論是哪一種脈 沖激勵(lì)信號(hào)在導(dǎo)體介質(zhì)中產(chǎn)生的信號(hào)都可以被看作是一系列具有不同頻率的正弦信 號(hào)所產(chǎn)生的響應(yīng)之和。圖 2-3 為目前常用的激勵(lì)信號(hào)波形。 9 圖 2.3 常用的激勵(lì)信號(hào)理論波形和實(shí)際波形 (a)雙極性矩形（b)雙極性梯形(c)雙極性半正弦(d)實(shí)際發(fā)射波形 通過(guò) ANSYS 有限元分析 14軟件對(duì)埋地金屬管道建立三維模型15時(shí)，脈沖波形采 用單個(gè)階躍波。令激勵(lì)信號(hào)序列的周期趨于無(wú)窮大，于是雙極性矩形激勵(lì)信號(hào)就能被 轉(zhuǎn)化為非周期的單階躍波形。然而在實(shí)際的工作過(guò)程當(dāng)中，因?yàn)榧?lì)線圈的電感、電 容特性，輸出的波形不可能是理想的，通常波形應(yīng)呈指數(shù)上升，下降也應(yīng)呈斜階躍下 降，如圖 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 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 3.13.1 有限元分析方法簡(jiǎn)介有限元分析方法簡(jiǎn)介 在確定分析對(duì)象的基本特性，并建立起其模型以后，有限元分析方法作為一種分 析及計(jì)算方法，它可以被概括為如下三點(diǎn)： （1）將所要分析的對(duì)象分解為若干個(gè)單元，并通過(guò)單元邊界上的節(jié)點(diǎn)把各個(gè)單元 聯(lián)接為一個(gè)整體。 （2）將全求解域內(nèi)待求的未知場(chǎng)變量用各個(gè)單元內(nèi)假定的近似函數(shù)來(lái)分片的表 征。 而用未知場(chǎng)函數(shù)在單元各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的數(shù)值及與其對(duì)應(yīng)的插值函數(shù)來(lái)表征每個(gè)單元 內(nèi)的近似函數(shù)。因?yàn)閳?chǎng)函數(shù)在鏈接單元的接地啊上具有相同的數(shù)值，所以把它們作為 基本未知量用于數(shù)值求解。 這樣便使得原待求函數(shù)的無(wú)窮多自由度的求解問(wèn)題就被轉(zhuǎn) 化為場(chǎng)函數(shù)節(jié)點(diǎn)值的有限自由度求解問(wèn)題。 （3）利用和原問(wèn)題數(shù)學(xué)模型等效的加權(quán)余量法或變分原理，建立常微分方程組或 代數(shù)方程組用于求解基本未知量。此方程組由規(guī)范化的矩陣形式所表征，此后可以用 相應(yīng)的數(shù)值分析方法求解該方程并得到原問(wèn)題的解答。 3.23.2 有限元分析法的特點(diǎn)有限元分析法的特點(diǎn) （1）復(fù)雜幾何構(gòu)形的適應(yīng)性。因?yàn)閱卧诳臻g上可以被定義為一維、二維或者三 維的，且每一種單元可以采用不同的連續(xù)方式也可以具有不同的形狀。 （2）各種物理問(wèn)題的適應(yīng)性。因?yàn)槿蠼庥虻奈粗獔?chǎng)函數(shù)被單元內(nèi)的近似函數(shù)所 表征，其并未設(shè)定限制場(chǎng)內(nèi)方程的形式應(yīng)滿足相對(duì)應(yīng)的條件，也未設(shè)置各個(gè)單元所對(duì) 應(yīng)的方程必須有相同的形式， 所以它適用于各種物理問(wèn)題， 例如動(dòng)力問(wèn)題、 屈曲問(wèn)題、 粘彈性問(wèn)題等，而且其還可以被應(yīng)用于不同類(lèi)型復(fù)雜物理現(xiàn)象相互耦合的問(wèn)題。 （3）嚴(yán)格理論基礎(chǔ)上的可靠性。由于邊界條件和微分方程的等效微分形式是加權(quán) 余量法或有限元方程的變分原理，因此當(dāng)原問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型是無(wú)誤的，同時(shí)用于解析 有限元方程的數(shù)值運(yùn)算方法是可靠穩(wěn)定的， 則隨著單元尺寸的縮小或是隨著單元自由 度數(shù)的增加，有限元分析方法求解的近似程度將不斷地被提高。 （4）計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的高效性。 因?yàn)橛邢拊治龇椒ǖ拿恳徊蕉寄軌虮槐硎緸橐?guī)范化 的矩陣形式，這樣便使得求解方程可以被看作是標(biāo)準(zhǔn)的矩陣代數(shù)問(wèn)題，這種情況下特 別符合計(jì)算機(jī)的執(zhí)行和編程。 計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的不斷發(fā)展以及數(shù)值運(yùn)算方法的更新?lián)Q 代，大規(guī)模的復(fù)雜工程的有限元分析已經(jīng)被看作是工程技術(shù)領(lǐng)域的常規(guī)工作。 3.33.3 ANSYSANSYS 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 ANSYS 是以有限元分析法為依據(jù)的 CAE(Computer-aided Engineering)軟件， 它是 11 由美國(guó) ANSYS 公司所研發(fā)。 ANSYS 無(wú)論是在 PC 機(jī)、 工作臺(tái)亦或是巨型計(jì)算機(jī)都具 有較好的兼容性，ANSYS 文件在其所有的系列產(chǎn)品和工作平臺(tái)上都可以運(yùn)行。這就使 得 ANSYS 用戶可求解多領(lǐng)域多變工程問(wèn)題。它可以把電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)的分析融為 一體，ANSYS 現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于航天、土木工程、水利水電工程等領(lǐng)域。 ANSYS 主要由以下三個(gè)部分組成： （1）前處理模塊(PREP7) 前處理模塊完成有限元分析法的前處理過(guò)程。 其實(shí)質(zhì)是為麥克斯韋方程組及相關(guān) 方程組設(shè)置參數(shù)和初始條件。模塊提供了強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，主要包括 三部分內(nèi)容：材料屬性的定義及配置、實(shí)體建模和單元網(wǎng)格劃分。 （2）加載和求解模塊(SOLUTION) 加載和求解模塊完成有限元分析法的計(jì)算過(guò)程。用于對(duì)有限元模型選擇分析類(lèi) 型、施加外界條件和載荷、確定載荷步、選擇求解器并進(jìn)行求解。 （3）后處理模塊(POST1 和 POST26)。 后處理模塊完成有限元分析法的后處理過(guò)程。 可以用圖形方式顯示模型結(jié)構(gòu)內(nèi)部 的計(jì)算結(jié)果，比如：等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、透明及半透明顯示等，也可 以圖片、曲線形式顯示或輸出計(jì)算結(jié)果。 12 4 埋地金屬管道的埋地金屬管道的 ANSYS 三維仿真分析三維仿真分析 4.14.1 創(chuàng)建埋地金屬管道三維模型的物理環(huán)境創(chuàng)建埋地金屬管道三維模型的物理環(huán)境 （1）過(guò)濾圖形界面：從主菜單中選擇 Main MenuPreferences,彈出“Preferences for GUI Filtering”對(duì)話框， 選中“Magnetic-Nodal”來(lái)對(duì)后面的分析進(jìn)行菜單及相應(yīng)的圖 形界面過(guò)濾。如圖 4.1 所示： 圖 4.1 選擇圖形界面 （2）定義工作標(biāo)題：執(zhí)行菜單欄中的 Utility MenuFileChange Title,在彈出的對(duì)話 框中輸入“3D LYBS” ，單擊“OK”. （3）指定工作名：執(zhí)行菜單欄中的 Utility MenuFileChange Jobname,彈出一個(gè)對(duì) 話框，在“Enter new name”后面輸入“LYBS_3D” ，單擊“OK”按鈕。如圖 4.2 所 示： 圖 4.2 定義工作名 （4）選擇單元類(lèi)型：從主菜單中選擇 Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete,彈出“Element Types”單元類(lèi)型對(duì)話框，單擊“Add”按鈕， 彈出“Library of Element Types”單元類(lèi)型對(duì)話框。在該對(duì)話框中左面滾動(dòng)欄中選擇 “Magnetic-vector”,在右邊的滾動(dòng)欄中選擇“Brick 8 node 97”,單擊“OK”按鈕， 定義了一個(gè)“SOLID97”單元。如圖 4.3 所示： 13 圖 4.3 選擇單元類(lèi)型 （5）定義材料屬性：從主菜單中選擇 Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models,彈出 “Define Material Model Behavior”對(duì)話框。 在右邊的欄中 連續(xù)單擊 “ElectromagneticsRelative PermeabilityConstant”后， 又彈出 “Permeability for Material Number 1”對(duì)話框。在該對(duì)話框中“MURX”后面的輸入欄輸入“1” ，單 擊“OK”按鈕。最后單擊“MaterialExit”結(jié)束。這樣便定義了空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率， 如圖 4.4 所示： 圖 4.4 定義空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率 重復(fù)上述的步驟，分別定義管道、線圈、土壤的相對(duì)磁導(dǎo)率為 350、1、5。同理 可在主菜單中的“Material Models”中分別定義線圈的電阻率為 3E-8 歐姆/米，管道 的電阻率為 1E-7 歐姆/米，土壤的電阻率為 50 歐姆/米。 4.24.2 三維仿真模型的建立三維仿真模型的建立 自頂向下和自底向上是 ANSYS 中兩種實(shí)體建模的方法。 （1）自頂向下 14 自頂向下的建立模型指的是按照從體到面、 從面到線、 從線到點(diǎn)的順序進(jìn)行建模， 因?yàn)榫€是由點(diǎn)構(gòu)成， 面是由線構(gòu)成， 體是由面構(gòu)成， 所以稱(chēng)這個(gè)順序?yàn)樽皂斚蛳陆！?（2）自底向上 自底向上建模與自頂向上建模正好相反，是按照從點(diǎn)到線，從線到面，從面到體 的順序建立模型，因?yàn)榫€是由點(diǎn)構(gòu)成，面是由線構(gòu)成，而體是由面構(gòu)成，所以稱(chēng)這個(gè) 順序?yàn)樽缘紫蛏辖！?本次三維仿真模型的建立采用自頂向下的建模方法。依據(jù)自頂向下的建模方法， 第一步先定義模型的最高級(jí)的圖元， 在三維仿真模型中需要定義線圈、 賣(mài)地金屬管道、 空氣以及土壤。 當(dāng)上述模型中的內(nèi)容被定義以后， ANSYS 會(huì)自動(dòng)匹配相關(guān)的關(guān)鍵點(diǎn)、 線和面。 用戶圖形界面（Graphic User Interface 簡(jiǎn)稱(chēng) GUI）操作方式和參數(shù)化語(yǔ)言設(shè)計(jì) （ANSYS Parametric Design Language簡(jiǎn)稱(chēng)APDL） 方式是ANSYS的兩種操作方式。 GUI 方式不要求掌握命令的使用格式和編程語(yǔ)言的使用規(guī)則等， 用戶可以只通過(guò)鼠標(biāo) 便可在圖形界面上進(jìn)行操作。 GUI 操作方式對(duì)于比較簡(jiǎn)單的有限元分析模型， 操作速 度或許會(huì)更快些。而對(duì)于比較復(fù)雜的、規(guī)模比較大的有限元分析模型，GUI 操作方式 的缺點(diǎn)就會(huì)有所顯現(xiàn)。由于對(duì)于一個(gè)模型的分析經(jīng)常需要多次的反復(fù)分析，當(dāng)需要對(duì) 修改后的模型進(jìn)行分析時(shí)，若采用 GUI 操作方式就會(huì)出現(xiàn)大量的重復(fù)步驟。大量的 計(jì)算時(shí)間被這些重復(fù)的工作占據(jù)，因此在這種情況下 GUI 操作方式就顯得比較繁瑣， 效率也比較低。 APDL 參數(shù)化語(yǔ)言設(shè)計(jì)操作方式，可以自動(dòng)地完成部分常規(guī)分析操作。它是一種 依據(jù)參數(shù)化編程方式和操作命令來(lái)建立分析模型的腳本語(yǔ)言。智能分析，自動(dòng)地完成 多數(shù) GUI 操作等都是 APDL 編寫(xiě)的腳本程序進(jìn)行參數(shù)化建模的特點(diǎn)。 特別的是 APDL 操作方式甚至能夠符合 GUI 操作方式無(wú)法滿足的要求。APDL 操作方式可以分析屬 性和控制相關(guān)的設(shè)計(jì)，并允許輸入復(fù)雜的數(shù)據(jù)。比如定義材料的屬性、輸入模型的尺 寸、定義邊界條件的位置、施加載荷和調(diào)整網(wǎng)格劃分的密度等。通過(guò) APDL 操作方式 不僅能夠?yàn)閱?wèn)題的計(jì)算與求解提供更加簡(jiǎn)單高效的手段， 而且極大的擴(kuò)展的有限元分 析的范圍。 由于本次三維仿真模型的建立相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，因此采用 APDL 操作方式。 首先建立線圈的模型，定義線圈的匝數(shù) N=10，線圈的外徑為 0.102m，線圈的內(nèi) 徑為 0.1m，線圈的厚度為 0.0035m，輸入 APDL 命令流后得到的模型如圖 4.5 所示： 15 圖 4.5 定義線圈的模型 其次再建立管道的模型， 定義管道的長(zhǎng)度為 1.5m， 外徑為 0.65m， 內(nèi)徑為 0.52m， 管道的埋深為 0.5m，輸入 APDL 命令流后得到的模型如圖 4.6 所示： 圖 4.6 定義管道的模型 最后，再建立土壤和空氣的模型，定義空氣層的高度為 0.2m，定義土壤的模型 為長(zhǎng) 1.5m，寬 0.5m，高為 0.75m 的長(zhǎng)方體，土壤將包裹在管道的周?chē)］斎?APDL 命令流后，添加土壤后及最終建立的模型分別如圖 4.7、4.8 所示： 圖 4.7 添加入土壤后的模型 16 圖 4.8埋地金屬管道模型 4.34.3三維仿真模型的網(wǎng)格劃分三維仿真模型的網(wǎng)格劃分 在ANSYS有限元分析法中， 計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度等因素決定所選取網(wǎng)格的大小。 當(dāng)所要求的單元越小，則網(wǎng)格的劃分就越細(xì)，同時(shí)計(jì)算結(jié)果的精度也越高。盡管網(wǎng)格 劃分的越細(xì)計(jì)算得到的結(jié)果精度也越高，但由于網(wǎng)格單元數(shù)的急劇增加，由此所增加 的計(jì)算量將會(huì)十分龐大，同時(shí)計(jì)算的時(shí)間也會(huì)延長(zhǎng)。 對(duì)于此次埋地金屬管道的三維仿真模型采用的是自由劃分和映射劃分相互結(jié)合 的方式。采用這種劃分方式，一方面仿真計(jì)算時(shí)間減少了；另一方面，仿真的計(jì)算精 度也得到了提高。在三維模型中，線圈和管道采用的是六面體網(wǎng)格，通過(guò)掃略方式生 產(chǎn)體網(wǎng)格，40 個(gè)節(jié)點(diǎn)被等分在線圈周長(zhǎng)上，同時(shí)線圈的厚度方向也等分 3 個(gè)節(jié)點(diǎn)。 管道的軸向選中四條直線，管道長(zhǎng)為 1.5m,在管道軸向方向每 0.015m 設(shè)置一個(gè)節(jié)點(diǎn)。 為了減少計(jì)算時(shí)間，同時(shí)由于實(shí)際空氣和土壤的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，空氣和土壤均采用四 面體網(wǎng)格進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，自由網(wǎng)格劃分的劃分等級(jí)為 1。如圖 4.9、4.10、4.11 分 別是線圈的網(wǎng)格劃分、管道的網(wǎng)格劃分及整個(gè)埋地金屬管道模型的網(wǎng)格劃分方式： 圖 4.9 線圈網(wǎng)格劃分圖 17 圖 4.10 管道的網(wǎng)格劃分 圖 4.11 埋地金屬管道模型的網(wǎng)格劃分 4.34.3 施加載荷及邊界條件施加載荷及邊界條件 諾依曼邊界條件和狄利克萊邊界條件是 ANSYS 分析軟件中的兩類(lèi)邊界條件。一 般來(lái)說(shuō)狄利克萊是作為約束條件被提出，它指的是磁力線與模型邊界相互平行的條 件，也叫做第一類(lèi)邊界條件。諾依曼邊界條件指的是磁力線垂直于模型邊界條件，也 叫做第二類(lèi)邊界條件。 對(duì)于此次埋地金屬管道三維仿真模型中， 僅僅在模型的外表面添加磁力線平行邊 界條件，即狄利克萊邊界條件。 （各條邊界線上設(shè)置 AZ=0）同時(shí)通過(guò)輸入 APDL 命 令流設(shè)置加載在線圈上的電壓為 12 伏特。則施加載荷及邊界條件以后的三維仿真模 型如圖 4.12 所示： 18 圖 4.12 施加載荷及邊界條件后模型圖 4.44.4 求解及后處理過(guò)程求解及后處理過(guò)程 當(dāng)線圈被加載上電壓為 12V 的激勵(lì)信號(hào)后，輸入 SOLVE 命令后，線圈材料的每 個(gè)單元節(jié)點(diǎn)上將被 ANSYS 自動(dòng)加載 12V 的激勵(lì)電壓并開(kāi)始計(jì)算。當(dāng)所有求解完成后， 再通過(guò) POST1 通用后處理器查看激勵(lì)電壓關(guān)斷前、關(guān)斷后（t0.03001s 為關(guān)斷后）壁厚為 13mm 且埋深為 0.5m 的管道的磁通密度分布云圖。不 同時(shí)刻管道的磁通密度分布云圖如下圖所示。 （圖中不同的顏色代表不同磁通密度的 大小，其中紅色的表示數(shù)值最大，藍(lán)色的表示數(shù)值最小。 ） t=0.015s 19 t=0.03001s t=0.03825s 20 t=0.06325s t=0.10001s 圖 4.13 同一管道不同時(shí)刻磁通密度分布云圖 4.54.5 三維管道模型仿真結(jié)果分析三維管道模型仿真結(jié)果分析 由圖 4.13 金屬管道管壁的磁通密度分布云圖可以得知： (1) 在激勵(lì)電壓信號(hào)未關(guān)斷之前，線圈正下方的管道管壁磁場(chǎng)強(qiáng)度較強(qiáng)，而管道兩 端管壁的磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱，且在激勵(lì)電壓信號(hào)未關(guān)斷之前這種狀態(tài)都比較穩(wěn)定。 (2) 激勵(lì)電壓信號(hào)關(guān)斷初期，仍然是線圈正下方的管道管壁磁場(chǎng)強(qiáng)度較強(qiáng)，而管道 21 兩端管壁的磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱。從激勵(lì)電壓信號(hào)關(guān)斷中、后期的磁通密度分布云圖可知， 管道中間部分的磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小，磁場(chǎng)強(qiáng)度有向管道兩端擴(kuò)散的趨勢(shì)，因此管道兩 端的磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增大。最后，管道中間部分的磁場(chǎng)強(qiáng)度首先減少到最小，磁場(chǎng)大部 分集中在管道的兩端。 4.64.6 不同壁厚的金屬管道仿真結(jié)果分析不同壁厚的金屬管道仿真結(jié)果分析 管道腐蝕程度的不同主要表現(xiàn)在管道壁厚的不同， 分別建立壁厚為 10mm、 13mm、 16mm 和 18mm 的三維仿真模型，分別計(jì)算在關(guān)斷激勵(lì)電壓信號(hào)后的同一時(shí)刻 （t=0.06325s)的磁通密度分布云圖，如圖 4.14 所示。由圖中可以得知，在關(guān)斷電壓激 勵(lì)信號(hào)后，隨著管道壁厚的增加，磁場(chǎng)強(qiáng)度由管道中間部分向管道兩端擴(kuò)散的速度也 越來(lái)越快。 壁厚 d=10mm 壁厚 d=13mm 壁厚 d=16mm壁厚 d=18m 22 圖 4.14 不同壁厚磁通密度分布云圖 在完成上述個(gè)模型的 ANSYS 三維仿真后，通過(guò) POST26 時(shí)間歷程處理器計(jì)算出 各個(gè)模型的線圈上的感應(yīng)電流并導(dǎo)出所有計(jì)算出的電流值，再利用 MATLAB 將導(dǎo)出 的線圈上的感應(yīng)電流值轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電壓值，并畫(huà)出圖像，如圖所示： 圖 4.15 不同腐蝕程度的 MATLAB 圖形 圖 4.16 不同腐蝕程度放大后的圖形 23 從上述的圖形中可以看出，當(dāng)管道的壁厚不相同但金屬管道的外徑相同時(shí)，線圈 的瞬變響應(yīng)曲線是可分的， 管壁 16mm 的感應(yīng)電壓值衰減最慢， 管壁為 10mm 的感應(yīng) 電壓值衰減最快， 而管壁為 13mm 的感應(yīng)電壓值的衰減速度處于上述兩者之間。 即腐 蝕程度越大的管道，感應(yīng)電壓值的衰減速度越快。 24 5 5 總結(jié)總結(jié) 本文研究了金屬管道瞬變電磁檢測(cè)的有限元分析，所做的工作總結(jié)如下： （1）理論準(zhǔn)備。針對(duì)所研究的課題，了解熟悉了瞬變電磁檢測(cè)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀和 埋地金屬管道瞬變電磁檢測(cè)法的特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。 通過(guò)學(xué)習(xí)研究瞬變電磁法檢測(cè)埋地 金屬管道技術(shù)以及 ANSYS 仿真原理，為金屬管道瞬變電磁檢測(cè)的有限元分析做好準(zhǔn) 備。 （2）仿真實(shí)驗(yàn)。首先通過(guò) GUI 操作方式與 APDL 命令流相互結(jié)合的方式，建立了包 含有空氣、線圈、土壤和管道的埋地金屬管道的三維仿真模型；其次，將 12V 的電 壓激勵(lì)信號(hào)加載在線圈上，利用 ANSYS 通用后處理器計(jì)算出激勵(lì)電壓信號(hào)關(guān)斷前后 不同時(shí)刻金屬管道的磁通密度分布云圖。最后，比較了激勵(lì)電壓信號(hào)關(guān)斷后壁厚分別 為 10mm、13mm、16mm 和 18mm 在同一時(shí)刻的磁通密度分布云圖以及不同腐蝕程 度的管道的瞬變感應(yīng)電壓值變化曲線。 （3）依據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)可以得出：一方面，在激勵(lì)電壓信號(hào)關(guān)斷的初期，線圈正下方的 管道管壁的磁場(chǎng)強(qiáng)度較強(qiáng)，并有向管道兩端擴(kuò)散的趨勢(shì)。管道中間部分的磁場(chǎng)強(qiáng)度下 降較快，最后，管道中間部分的磁場(chǎng)強(qiáng)度最弱，磁場(chǎng)大部分集中在管道的兩端；另一 方面，當(dāng)埋深、所加激勵(lì)信號(hào)等條件一致而只有壁厚不同時(shí)，隨著壁厚的增加，磁場(chǎng) 向管道兩