储罐底板局部磁化的三维有限元研究

储罐底板的漏磁场检测关键在于厚壁板的磁化。因为不可能将面积很大的板都磁化，在此采用局部磁化的方式，在有限的面积内磁化底板。

根据储罐底板局部磁化的特点，采用三维有限元方法研究不同条件下钢板局部区域的磁场分布情况以及局部磁化下的漏磁场与缺陷之间的关系。

储罐底板漏磁检测的磁路结构如图6-14所示，励磁装置的基本结构如U形。3D有限元模型的计算采用ANSYS软件。有限元模型建立包括励磁结构的确定、材料的选择、单元类型的选定、网格的划分以及求解方法的选择等。

图6-14 储罐底板漏磁检测的磁路结构示意图

励磁的磁源采用永久磁铁。计算模型中永久磁铁选用NdFeB（N35）稀土永久磁铁，选定磁铁的相对磁导率μ_r=1.0524，性能见表6-1。

表6-1 NdFeB（N35）稀土永久磁铁性能

衔铁选用Q235低碳钢板。三维有限元模型的计算量很大，为缩短计算时间，利用模型的对称性，通常只需计算1/4的实体模型。由于钢板局部是被饱和磁化的强场磁体，模型采用基于单元边法（Magnetic Edge Element）的三维静态磁场分析。划分网格单元为SOLID117，该单元最多有20个节点。求解器选用Sparse求解器。有限元计算模型中，励磁装置的尺寸和磁化间隙保持不变，见表6-2。

表6-2 三维有限元模型结构尺寸

图6-15所示为储罐底板厚度为10mm，底板宽度分别为200mm、300mm、400mm、600mm、800mm和1000mm时，有限元分析计算结果。

图6-15的结果显示了储罐底板内沿中心并垂直于磁化方向的1/2宽度范围内的磁感应强度B_x分布。结果表明，中心位置的磁感应强度最大，沿中心向两边磁感应强度逐渐减弱。当储罐底板宽度为200mm时，整个区域都被磁化到饱和状态，两边沿的磁感应强度与中间相差不到1%。当储罐底板宽度为300mm时，虽然各位置仍然接近于饱和状态，但外边沿相对中心处最大值衰减了20%以上，磁感应强度沿中心向两边递减的趋势明显。当储罐底板宽度大于400mm时，磁感应强度沿中心向两边下降的速度更快，只有中心处接近饱和；当储罐底板宽度大于800mm时，边沿的磁感应强度几乎接近0。当储罐底板宽度大于600mm时，不同储罐底板宽度下，相同位置上的磁感应强度几乎是相等的，不再随宽度的增加而减小，中心处的最大值在1.2T以上。(www.xing528.com)

由上述的计算结果可以得出以下结论：

1）即使在储罐底板宽度为无限大的情况下，局部区域仍然可以被磁化到饱和。

2）对面积不同的储罐底板，当宽度足够大时，局部区域内的磁化状态基本保持不变，这说明不同面积的储罐底板检测时具有相同的灵敏度。

当储罐底板的厚度发生变化时，储罐底板内部磁场的分布情况将发生变化。图6-16给出了储罐底板厚度分别为8mm、10mm、12mm和16mm时其内部磁感应强度水平分量B_x的分布情况。有限元模型尺寸为：储罐底板长350mm，宽800mm，永久磁铁尺寸为80mm×80mm×20mm，磁化间隙为0。

图6-15 不同储罐底板宽度下的磁感应强度水平分量分布

1—宽度200mm 2—宽度300mm 3—宽度400mm 4—宽度600mm 5—宽度800mm 6—宽度1000mm

图6-16 不同储罐底板厚度下的内部磁感应强度水平分量分布

1—8mm 2—10mm 3—12mm 4—16mm

图6-16所示结果显示，储罐底板厚度的增加导致其内部局部区域磁感应强度显著减小。钢板局部区域内的磁场由饱和逐步转为不饱和，这说明采用同一励磁装置励磁时，被测材料的厚度是影响磁化性能的重要因素，在一定的检测精度下，钢板的厚度应该有一个限定范围。范围的大小与励磁装置性能和被测材料有关。