开题报告-金属管道瞬变电磁检测有限元分析

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1、毕业设计（论文）开题报告 题目 金属管道瞬变电磁检测有限元分析专 业 名 称 测控技术与仪器班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 填 表 日 期 2015 年 4 月 9 日一、选题的依据及意义：我国长输油气管道建设高峰期已经到来，长输油气管道通常采用大口径高压力管道，而压力管道以铸铁及钢质的埋地管道为主。然而埋地金属管道长期受到周围土壤腐蚀、杂散电流腐蚀等影响，导致埋地金属管道时常有穿孔现象发生，管道穿孔会导致油气泄漏，油气泄漏容易造成火灾；燃气泄漏容易引起爆炸，这就会威胁到人们的生命财产安全，造成环境污染，后果非常严重。另外由于维修所带来的材料和人力上的浪费、停工停产所造成的损失

2、都十分巨大。现代金属管道运输起源于1865年在美国宾夕法尼亚州敷设的第一条输油管道。之后，油气资源的大力开发以及能源市场的剧增，使得管道运输在全世界范围内飞速发展。目前，管道输送是石油及天然气运输的主要支柱。然而长输油气管道及外部工况环境日益恶化，有些管线已经服役20年甚至更长的时间，导致集输管道腐蚀泄漏现象时有发生。据美国国家输送安全局统计，在美国输气干线和集气干线的泄漏事故中74%1是因腐蚀造成的，而美国45%的管道损坏是钢管外壁腐蚀引起的。19811987年，前苏联输气管道事故统计表明，总长约24万千米的管线上曾发生事故1210起，其中外腐蚀占全部事故的42.7%，内腐蚀占全部事故的2.

3、4%。我国埋地金属管道的腐蚀问题也同样十分严峻。我国于1958年建设新疆克拉玛依至独山子第一条原油管道。50多年来，我国累计敷设油气输送管线约6万千米；各油田的油气集输管线约10万千米，管线遍布全国，已形成网络。至1990年，我国东部地区的输油管道事故中，因腐蚀造成的事故比例为事故总量的21.3%2，为所用管道事故中除了设备故障以外最主要的原因。1969年至1990年的21年间，四川输气管道事故中，腐蚀占事故总数的43.22%，是导致事故的首要原因。我国的中原油田自开发以来，因腐蚀造成的直接经济损失累计已达5亿元左右。胜利油田因腐蚀造成的直接经济损失每年约1亿元。因此，对埋地金属管道的腐蚀状况

4、进行在役检测的研究具有重要的现实意义。然而，埋地金属管道腐蚀性检测技术水平的高低对延长管道的使用寿命以及保证工业生产的顺利进行有重要影响，因而对埋地金属管道检测技术也越来越受到人们的关注。但是，目前常规的无损检测技术无法实现不开挖、不停输的状态下检测埋地金属管道。比如：超声检测3在空气中衰减很快，检测时需要有耦合剂，如油或水等；射线检测有现场辐射，并且对被测试试件表面要求比较高，因而检测成本比较高，另外胶片的放置也存在很大的问题；磁粉检测4对被检试件外形和缺陷的形状的要求都较高，而检测精度不高，也只能检测管道表面或近表面缺陷。作为一种新兴的无损检测方法-瞬变电磁检测法5，它是非接触式信号加载方

5、式的检测技术，能够实现埋地金属管道不开挖、在役检测且简单易行、精度高、投资小、见效快，最适合检测单根金属管道，具有非常广阔的的应用前景。采用ANSYS有限元软件6模拟仿真的方式，研究埋地金属管道79的瞬变电磁场分布规律和管道腐蚀10对瞬变电磁场的影响特征，为埋地金属管道瞬变电磁法检测提供处理和解释的依据。 二、有限元分析研究概况及发展趋势： “有限元单元法”这一名称是克拉夫（Clough）在1960年首先引用的。它是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它虽然是50年代首先在连续体力学领域-飞机结构静、动态特性分析中应用过的一种有效的数值分析方法，但是，由于它所依据理论的普遍性

6、，已经能够成功地用来求解其它工程领域中的许多问题。随后很广泛的应用于求应力场、位移场、电磁场、温度场、流体场等连续性问题。涉及了很多的工程学科，如机械设计、声学、电磁学、岩土力学、流体力学等。 “有限元”这个名词第一次出现，到今天有限元在工程上得到广泛应用，经历了五十多年的发展历史，理论和算法都已经日趋完善。有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。 近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高

7、，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器，国防军工，船舶，铁道，石化，能源，科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面：增加产品和工程的可靠性； 在产品的设计阶段发现潜在的问题；经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料成本；缩短产品投向市场的时间；模拟试验方案，减少试验次数，从而减少试验经费。 国际上早在60年代初就开始投入大量的人力和物力开发有限元分析程序，但真正的CAE软件

8、是诞生于70年代初期，而近15年则是CAE软件商品化的发展阶段，CAE开发商为满足市场需求和适应计算机硬、软件技术的迅速发展，在大力推销其软件产品的同时，对软件的功能、性能，用户界面和前、后处理能力，都进行了大幅度的改进与扩充。这就使得目前市场上知名的CAE软件，在功能、性能、易用性、可靠性以及对运行环境的适应性方面，基本上满足了用户的当前需求，从而帮助用户解决了成千上万个工程实际问题，同时也为科学技术的发展和工程应用做出了不可磨灭的贡献。目前流行的CAE分析软件主要有NASTRAN、 ADINA 、ANSYS、ABAQUS、MARC、MAGSOFT、COSMOS等。MSC-NASTRAN软件

9、因为和NASA的特殊关系，在航空航天领域有着很高 的地位，它以最早期的主要用于航空航天方面的线性有限元分析系统为基础，兼并了PDA公司的PATRAN，又在以冲击、接触为特长的DYNA3D的基础上 组织开发了DYTRAN。近来又兼并了非线性分析软件MARC,成为目前世界上规模最大的有限元分析系统。ANSYS软件致力于耦合场的分析计算，能够进 行结构、流体、热、电磁四种场的计算，已博得了世界上数千家用户的钟爱。ADINA非线性有限元分析软件由著名的有限元专家、麻省理工学院的 K.J.Bathe教授领导开发，其单一系统即可进行结构、流体、热的耦合计算。并同时具有隐式和显式两种时间积分算法。由于其在非

10、线性求解、流固耦合分 析等方面的强大功能，迅速成为有限元分析软件的后起之秀，现已成为非线性分析计算的首选软件。 纵观当今国际上有限元软件的发展情况，可看出有限元软件的一些发展趋势：与CAD软件的无缝集成；更为强大的网格处理能力；由求解线性问题发展到求解非线性问题；由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解；程序面向用户开放等。3、 研究内容及实验方案： 3.1 研究内容：利用ANSYS有限元仿真软件对检测不同腐蚀程度的埋地金属管道建立二、三维模型。通过实验的方法对对人工加工腐蚀的金属管道用瞬变电磁法检测，得到实验的结果。将实验的结果与仿真的结果进行对比，若两者结果一致，则验证了仿真的结果是准确、可

11、信的。3.2仿真软件3.2.1 ANSYS仿真软件ANSYS软件由美国ANSYS公司开发，是目前世界上通用的、大型的并以有限元分析法为基础的CAE（Computer-aided Engineering)软件。它由前处理模块、加载和求解模块以及后处理模块组成。ANSYS软件具有很好的兼容性，不论是PC机、工作站还是巨型计算机，ANSYS文件在其所有的产品系列和工作平台上都可以运行。它可以将结构、流体、电场、磁场、声场的分析融为一体，现在已经广泛应用于航空户在多领域多变工程问题的求解航天、土木工程、机械制造、水利水电工程等领域。3.2.2 ANSYS软件仿真原理利用ANSYS软件作为仿真分析工具，

12、建立不同壁厚缺陷的数学模型，对缺陷所产生的瞬变电磁信号进行分析。对比不同壁厚的缺陷的数学模型，为瞬变电磁检测的定量化研究分析提供依据。3.2.3 ANSYS软件特点ANSYS软件的单元类型有100多种，方便用户模拟工程中的各种结构和材料。它具有功能极为强大的前后处理及计算分析能力，为解决复杂的工程项目提供了一个良好的工作环境，更使人们从繁琐、单调的常规有限元编程中解脱出来，非常适合快速、有效地分析某些电力设备的电磁场。ANSYS软件可分析以下类型的电磁场：二维静态、谐性和瞬态磁场分析；基于边界的三维静态、谐性和瞬态磁场分析以及基于节点的三维磁场分析1112（静态、谐性和瞬态）电场分析，另外还有

13、用于分析和计算电磁场或波辐射性能的高频电磁场分析。ANSYS可应用于电场分布、磁力线分布、电感、电容、磁通量密度、涡流、运动效应、力、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。3.3 实验方案：瞬变电磁检测技术对不同壁厚的埋地金属管道具有辨别能力。在室内实验室采用两种规格的钢管进行模拟腐蚀缺陷，第一种采用铁磁性石油钢管作为研究对象；第二种采用两根普通的钢管组合而成，两根管道紧密放置在一起进行检测。采用瞬变电磁检测系统1316对两种人工加工的管道进行检测，将实验的结果与仿真的结果进行对比，从而验证仿真的结果是否可信。3.3具体

14、步骤：3.3.1 查阅相关文献，了解国内外研究现状；3.3.2 ANSYS仿真（1） 熟悉ANSYS仿真软件。l 配置ANSYS环境.l 仿真教程中的ANSYS分析案例，并得出正确结果（2） 埋地金属管道的二维模型在ANSYS软件中的仿真分析。l 对埋地金属管道建立二维模型。l 对仿真结果进行分析。 （3）埋地金属管道的三维模型在ANSYS软件中的仿真分析。l 对埋地金属管道建立三维模型。l 对仿真的结果进行分析。 （4）对二维或三维模型进行改进l 建立改进后的模型l 结论与分析3.3.3进行对比试验，验证仿真结果l 了解瞬变电磁检测系统并熟悉操作内容l 使用瞬变电磁检测系统检测两种不同腐蚀程

15、度的金属埋地管道，得到实验结果。l 分析检测结果，得出结论：仿真的结果是可行的。四、目标、主要特色及工作进度4.1目标：埋地金属管道瞬变电磁法检测是检测管道腐蚀程度的方法之一。该方法具有分辨率高、简单易行、信息丰富的优点，可实现在役、非开挖检测，但基础理论和资料的解释相对滞后，研究埋地金属管道瞬变电磁法检测的原理与方法，采用ANSYS有限元仿真软件对不同壁厚埋地金属管道瞬变电磁场进行数值计算，并通过实验验证数值计算结果，从而验证仿真的结果的准确、可信。4.2主要特色： 瞬变电磁法有简单易行、信息丰富、精度较高等优点，在很多方面得到了广泛应用；ANSYS软件为解决复杂的工程项目提供了一个良好的工作环境，更使人们从繁琐、单调的常规有限元编程中解脱出来，非常适合快速、有效地分析某些电力设备的电磁场。利用ANSYS软件建立瞬变电磁检测金属管道模型，检验仿真方法的正确性，分析不同缺陷尺寸对仿真结果的影响，为瞬变电磁检测金属管道的机理提供依据4.3工作进度：2015.03.09-2015.03.20资料收集，英文翻译，开题报告撰写2015.03.21-2015.04.15 熟悉瞬变电磁法检测原理和特点2015.04.16-2015.04.30掌握瞬变电磁检