[发明专利]漏磁法检测在役管道焊缝裂纹扩展的磁-结构耦合方法

权利要求书

1.一种漏磁法检测在役管道焊缝裂纹扩展的磁-结构耦合方法，其特征在于：所述漏磁法检测在役管道焊缝裂纹扩展的磁-结构耦合方法，包括以下步骤：

步骤一、基于ANSYS有限元软件，进行参数化赋值，包括几何尺寸参数、材料参数、载荷参数；

（1）将管道、焊缝、微裂纹、磁化结构、周围空气的几何参数赋值;

a、二维管道几何参数包括管道内径D_i，外径D_o；

b、焊缝几何参数包含焊缝熔宽B₁，余高H₁；

c、微裂纹几何参数包含微裂纹在管道焊缝位置、微裂纹初始长度l_c，确定裂纹路径上未扩展长度l_n；

d、磁化结构几何参数包括气隙高度A_H，气隙、极靴、磁铁的宽度CT_W，极靴高度JX_H，磁铁高度CT_H，衔铁高度XT_H；

e、周围空气几何参数包括磁化结构上方气隙高度UP_AL，管道下方气隙高度、管道左右两侧气隙宽度O_AL；

（2）将管道、焊缝、磁化结构、周围空气的材料参数赋值；

a、选择管道材料为Q235钢，材料本构采用线性强化弹塑性模型，材料参数包括磁特性曲线B-H值、弹性模量E、泊松比、屈服强度、切线模量E₁、断裂韧度K_IC、平面应变模型的临界应变能量释放率G_IC；

b、设定焊缝材料属性与管道一致；

c、磁化结构材料参数包括永磁铁材料铷铁硼Nd-Fe-B的磁特性曲线B-H值，衔铁、极靴的材料工业纯铁的磁特性曲线B-H值；

d、空气相对磁导率；

（3）给管道流体内压载荷、励磁载荷赋值；

步骤二、选择结构应力分析单元类型，进行管道焊缝建模，施加位移和载荷边界条件；

a、选择结构应力分析单元类型为平面应变单元PLANE182；

b、在保证精度前提下，为了提高计算效率，节省计算时间，在管道焊缝区域网格加密，远离该区域网格稀疏；

c、根据几何尺寸建面，划分网格，用映射网格划分方法mapped划分成四面体；

d、施加位移边界条件；

e、施加载荷边界条件：初始内压P、最大内压P_e；

f、载荷步i初始值i=0；

步骤三、基于VCCT技术，构造初始微裂纹，按照能量释放率准则，进行裂纹扩展计算；

a、指定裂纹扩展路径，在路径上形成界面单元，选择单元类型INTER202；

b、在扩展路径上，删除预设微裂纹位置长度为l_c的界面单元，使该位置构造出初始微裂纹；

c、在界面单元处创建接触关系，其中：目标单元选用TARGE169，接触单元选用CONTA171；

d、裂纹扩展计算方法设置，打开自动载荷步；

e、由于采用线性强化弹塑性模型，在非线性设置中，限制塑性应变；

f、指定裂纹尖端T，裂纹扩展算法采用VCCT；

g、采用能量释放率准则，进行裂纹扩展计算，计算每个载荷步i的能量释放率G_I，i=i+1，通过比较Ι型裂纹有限元网格节点计算的能量释放率G_I和所选取的管道材料的临界应变能量释放率G_IC之间的大小判定管道焊缝中裂纹是否扩展；

h、若，裂纹未扩展，通过自动载荷步施加压力增量，增量为P_e/n，自动选取；若，裂纹开始扩展，在裂纹扩展过程中，通过自动载荷步施加微小压力增量，增量为P_e/m；

i、计算裂纹扩展长度l_e，比较l_e与l_n；若l_e<l_n，进行步骤四；若l_e≥l_n，管道断裂，结束；

j、记录开始扩展载荷步i，此载荷步赋给j，j=i；

步骤四、根据裂纹扩展过程中的张开距离和扩展长度，进行裂纹位置处空气网格重构；

a、提取裂纹扩展中的载荷步j的结果，根据裂纹扩展过程中的变形量，更新节点坐标；

b、更换单元类型为PLANE13，将管道平面应变单元PLANE182更改为二维磁场单元PLANE13；

c、根据裂纹张开距离和扩展距离，在裂纹轮廓节点处生成关键点，关键点连线，由线围起来形成面，赋予空气单元属性，进行裂纹位置处空气网格重构；

步骤五、根据管道焊缝结构特点，在管道焊缝裂纹处，构造永磁铁、衔铁、极靴的管道外检测磁化结构模型；

a、构造管道外表面与磁化结构之间的气隙磁场单元；

b、为适应管道曲率，构造圆弧极靴磁场单元，以保证极靴与管道间距离相对均匀；

c、构造磁铁、衔铁的磁化结构磁场单元；

d、构造磁化结构周围空气磁场单元、管道内部流体磁场单元；

e、施加远场边界，进行磁场分析计算；

步骤六、设计管道焊缝上方圆弧路径，提取磁-结构耦合计算结果并分析漏磁的位置和强度，衡量裂纹扩展进程；

a、为与管道焊缝外形轮廓相匹配，设计距离管道和焊缝的提离值均为1mm圆弧路径，将磁-结构耦合计算结果映射到模型中圆弧路径上，进而查看路径上相应结果项的分布规律；

b、提取提离值1mm的圆弧路径上的漏磁场磁感应强度水平分量Bx和垂直分量By，并根据漏磁的位置和强度，衡量裂纹扩展进程；

步骤七、重复步骤三至步骤六，反复计算分析，直到l_e≥l_n、管道断裂，结束。