畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：金屬管道瞬變電磁檢測有限元分析學(xué)院：專業(yè)名稱：班級學(xué)號：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：年月畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書I、畢業(yè)設(shè)計(論文)題目：金屬管道瞬變電磁檢測有限元分析業(yè)設(shè)計(論文)使用的原始資料(數(shù)據(jù))及設(shè)計技術(shù)要求：原始資料：WTEM-1QII/GPS雙道淺部瞬變電磁勘探系統(tǒng)說明書。設(shè)計要求：瞬變電磁法有簡單易行、信息豐富、精度較高等優(yōu)點(diǎn)，在很多方面得到了廣泛應(yīng)用；法有簡單易行、信息豐富、精度較高、ANSYS軟件為解決復(fù)雜的工程項(xiàng)目提供了一個良好的工作環(huán)境，更使人們從繁瑣、單調(diào)的常規(guī)有限元編程中解脫出來，非常適合快速、有效地分析某些電力設(shè)備的電磁場。利用ANSYS軟件建立瞬變電磁檢測金屬管道模型，檢驗(yàn)仿真方法的正確性，分常適合快速、有效地分析某些電力設(shè)備的電磁場。析不同缺陷尺寸對仿真結(jié)果的影響，為瞬變電磁檢測金屬管道的機(jī)理提供依據(jù)。業(yè)設(shè)計(論文)工作內(nèi)容及完成時間：1、資料收集，英文翻譯，開題報告撰寫3月09日-4月10日2、熟悉瞬變電磁法檢測原理和特點(diǎn)4月11日-4月18日3、掌握瞬變電磁檢測金屬管道有限元分析方法4月19日-4月30日4、有限元分析、信號處理5月04日-5月15日5、分析方法改進(jìn)5月16日-5月31日6、論文撰寫與答辯6月01日-6月26日要參考資料：[1]張紅松.ANSYS14.0電磁學(xué)有限元分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.[2]牛之璉.時間域電磁法原理[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2007.[3]黃桂柏.瞬變電磁法在埋地鋼質(zhì)管道腐蝕檢測中的應(yīng)用[J].石油化工腐蝕與防護(hù)，2001,18(4):39-42.[4]徐凌華.基于有限單元法的二維/三維大地電磁正演模擬策略[J].物探化探計算技術(shù),2009,31(5):421～425.[5]SwidinskyA.Thetransientelectromagneticresponseofaresistivesheet:Anextensiontothreedimensions[J].GeophysicalJournalInternational.2010,182(2):663～674. 金屬管道瞬變電磁檢測有限元分析學(xué)生姓名： 班級：指導(dǎo)老師：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)上的時間域人工源電磁探測方法。因?yàn)樗沧冸姶艡z測法具有簡單易行、信息量豐富、耦合噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，并可實(shí)現(xiàn)在役、非開挖檢測，瞬變電磁檢測法已經(jīng)被越來越多的應(yīng)用于埋地金屬管道檢測。ANSYS是專業(yè)的有限元分析軟件，其功能強(qiáng)大在多領(lǐng)域多變工程問題的求解有著廣泛的應(yīng)用。它可以非常方便的對各種實(shí)際中的工程問題進(jìn)行建模和求解，并可以直觀地體現(xiàn)目前還不易觀測、任何試驗(yàn)都無法看到的發(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仿真瞬變電磁法對金屬管道的檢測，為瞬變電磁檢測金屬管道的機(jī)理提供依據(jù)。關(guān)鍵詞：瞬變電磁檢測，金屬管道，有限元分析，ANSYS指導(dǎo)老師簽名：MetalpipesFiniteElementAnalysisofTransientElectromagneticDetectionStudentname: Class:Supervisor:Abstract:Asweallknow,themetalpipehasbeenwidelyusedinpetroleum,naturalgas,water,transportationandotherresources,butwiththeageincreasepipelinecorrosionofmetalpipeshavebeeninevitable.Erosionwillgreatlyshortenthelifeofthepipeline.TEMmethodusingtransientelectromagneticmeanstoassesstheremainingwallthicknessofmetalpipes,isbasedontheprincipleofelectromagneticinductiontimedomainelectromagneticmethodfordetectinganartificialsourceestablishment.Becausetransientelectromagneticdetectionmethodissimple,informative,couplingnoise,etc.,andcanbeimplementedin-service,non-excavationdetection,transientelectromagneticdetectionmethodhasbeenusedmoreandmoreburiedmetalpipingtesting.ANSYSisaprofessionalfiniteelementanalysissoftware,itspowerfulandvariedinmanyfieldsofengineeringproblemstosolvewithawiderangeofapplications.Itcanbeveryconvenientforavarietyofpracticalengineeringmodelingandsolvingproblems,andcanbedirectlyreflectedyeteasyobservation,wecannotseeanytrialtakesplaceintheinternalstructureofanumberofphysicalphenomena,andANSYSsimulationresultsoftheactualveryclose,soyoucanuseANSYSsimulationoftransientelectromagneticmethodtodetectmetalpipes,providethebasisforthemechanismoftransientelectromagneticdetectionofmetalpipes.Keywords:TransientElectromagneticmethod,Metalpipes,FiniteElementAnalysis，ANSYSSignatureofSupervisor:目錄TOC\o"1-3"\h\u13231緒論57061.1瞬變電磁檢測發(fā)展及研究現(xiàn)狀 （一、選題的依據(jù)及意義：我國長輸油氣管道建設(shè)高峰期已經(jīng)到來，長輸油氣管道通常采用大口徑高壓力管道，而壓力管道以鑄鐵及鋼質(zhì)的埋地管道為主。然而埋地金屬管道長期受到周圍土壤腐蝕、雜散電流腐蝕等影響，導(dǎo)致埋地金屬管道時常有穿孔現(xiàn)象發(fā)生，管道穿孔會導(dǎo)致油氣泄漏，油氣泄漏容易造成火災(zāi)；燃?xì)庑孤┤菀滓鸨?，這就會威脅到人們的生命財產(chǎn)安全，造成環(huán)境污染，后果非常嚴(yán)重。另外由于維修所帶來的材料和人力上的浪費(fèi)、停工停產(chǎn)所造成的損失都十分巨大?，F(xiàn)代金屬管道運(yùn)輸起源于1865年在美國賓夕法尼亞州敷設(shè)的第一條輸油管道。之后，油氣資源的大力開發(fā)以及能源市場的劇增，使得管道運(yùn)輸在全世界范圍內(nèi)飛速發(fā)展。目前，管道輸送是石油及天然氣運(yùn)輸?shù)闹饕е?。然而長輸油氣管道及外部工況環(huán)境日益惡化，有些管線已經(jīng)服役20年甚至更長的時間，導(dǎo)致集輸管道腐蝕泄漏現(xiàn)象時有發(fā)生。據(jù)美國國家輸送安全局統(tǒng)計，在美國輸氣干線和集氣干線的泄漏事故中74%[1]是因腐蝕造成的，而美國45%的管道損壞是鋼管外壁腐蝕引起的。1981~1987年，前蘇聯(lián)輸氣管道事故統(tǒng)計表明，總長約24萬千米的管線上曾發(fā)生事故1210起，其中外腐蝕占全部事故的42.7%，內(nèi)腐蝕占全部事故的2.4%。我國埋地金屬管道的腐蝕問題也同樣十分嚴(yán)峻。我國于1958年建設(shè)新疆克拉瑪依至獨(dú)山子第一條原油管道。50多年來，我國累計敷設(shè)油氣輸送管線約6萬千米；各油田的油氣集輸管線約10萬千米，管線遍布全國，已形成網(wǎng)絡(luò)。至1990年，我國東部地區(qū)的輸油管道事故中，因腐蝕造成的事故比例為事故總量的21.3%[2]，為所用管道事故中除了設(shè)備故障以外最主要的原因。1969年至1990年的21年間，四川輸氣管道事故中，腐蝕占事故總數(shù)的43.22%，是導(dǎo)致事故的首要原因。我國的中原油田自開發(fā)以來，因腐蝕造成的直接經(jīng)濟(jì)損失累計已達(dá)5億元左右。勝利油田因腐蝕造成的直接經(jīng)濟(jì)損失每年約1億元。因此，對埋地金屬管道的腐蝕狀況進(jìn)行在役檢測的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。然而，埋地金屬管道腐蝕性檢測技術(shù)水平的高低對延長管道的使用壽命以及保證工業(yè)生產(chǎn)的順利進(jìn)行有重要影響，因而對埋地金屬管道檢測技術(shù)也越來越受到人們的關(guān)注。但是，目前常規(guī)的無損檢測技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)不開挖、不停輸?shù)臓顟B(tài)下檢測埋地金屬管道。比如：超聲檢測[3]在空氣中衰減很快，檢測時需要有耦合劑，如油或水等；射線檢測有現(xiàn)場輻射，并且對被測試試件表面要求比較高，因而檢測成本比較高，另外膠片的放置也存在很大的問題；磁粉檢測[4]對被檢試件外形和缺陷的形狀的要求都較高，而檢測精度不高，也只能檢測管道表面或近表面缺陷。作為一種新興的無損檢測方法瞬變電磁檢測法[5]，它是非接觸式信號加載方式的檢測技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)埋地金屬管道不開挖、在役檢測且簡單易行、精度高、投資小、見效快，最適合檢測單根金屬管道，具有非常廣闊的的應(yīng)用前景。采用ANSYS有限元軟件[6]模擬仿真的方式，研究埋地金屬管道[7]~[9]的瞬變電磁場分布規(guī)律和管道腐蝕[10]對瞬變電磁場的影響特征，為埋地金屬管道瞬變電磁法檢測提供處理和解釋的依據(jù)。二、有限元分析研究概況及發(fā)展趨勢：“有限元單元法”這一名稱是克拉夫（Clough）在1960年首先引用的。它是隨著電子計算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法。它雖然是50年代首先在連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)特性分析中應(yīng)用過的一種有效的數(shù)值分析方法，但是，由于它所依據(jù)理論的普遍性，已經(jīng)能夠成功地用來求解其它工程領(lǐng)域中的許多問題。隨后很廣泛的應(yīng)用于求應(yīng)力場、位移場、電磁場、溫度場、流體場等連續(xù)性問題。涉及了很多的工程學(xué)科，如機(jī)械設(shè)計、聲學(xué)、電磁學(xué)、巖土力學(xué)、流體力學(xué)等?！坝邢拊边@個名詞第一次出現(xiàn)，到今天有限元在工程上得到廣泛應(yīng)用，經(jīng)歷了五十多年的發(fā)展歷史，理論和算法都已經(jīng)日趨完善。有限元的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實(shí)際結(jié)構(gòu)假想地離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，實(shí)際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過對離散體進(jìn)行分析，得出滿足工程精度的近似結(jié)果來替代對實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以解決很多實(shí)際工程需要解決而理論分析又無法解決的復(fù)雜問題。

近年來隨著計算機(jī)技術(shù)的普及和計算速度的不斷提高，有限元分析在工程設(shè)計和分析中得到了越來越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復(fù)雜的工程分析計算問題的有效途徑，現(xiàn)在從汽車到航天飛機(jī)幾乎所有的設(shè)計制造都已離不開有限元分析計算，其在機(jī)械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑、電子電器，國防軍工，船舶，鐵道，石化，能源，科學(xué)研究等各個領(lǐng)域的廣泛使用已使設(shè)計水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

增加產(chǎn)品和工程的可靠性；在產(chǎn)品的設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)潛在的問題；經(jīng)過分析計算，采用優(yōu)化設(shè)計方案，降低原材料成本；縮短產(chǎn)品投向市場的時間；模擬試驗(yàn)方案，減少試驗(yàn)次數(shù)，從而減少試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。國際上早在60年代初就開始投入大量的人力和物力開發(fā)有限元分析程序，但真正的CAE軟件是誕生于70年代初期，而近15年則是CAE軟件商品化的發(fā)展階段，CAE開發(fā)商為滿足市場需求和適應(yīng)計算機(jī)硬、軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，在大力推銷其軟件產(chǎn)品的同時，對軟件的功能、性能，用戶界面和前、后處理能力，都進(jìn)行了大幅度的改進(jìn)與擴(kuò)充。這就使得目前市場上知名的CAE軟件，在功能、性能、易用性、可靠性以及對運(yùn)行環(huán)境的適應(yīng)性方面，基本上滿足了用戶的當(dāng)前需求，從而幫助用戶解決了成千上萬個工程實(shí)際問題，同時也為科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工程應(yīng)用做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。目前流行的CAE分析軟件主要有NASTRAN、ADINA、ANSYS、ABAQUS、MARC、MAGSOFT、COSMOS等。MSC-NASTRAN軟件因?yàn)楹蚇ASA的特殊關(guān)系，在航空航天領(lǐng)域有著很高的地位，它以最早期的主要用于航空航天方面的線性有限元分析系統(tǒng)為基礎(chǔ)，兼并了PDA公司的PATRAN，又在以沖擊、接觸為特長的DYNA3D的基礎(chǔ)上組織開發(fā)了DYTRAN。近來又兼并了非線性分析軟件MARC,成為目前世界上規(guī)模最大的有限元分析系統(tǒng)。ANSYS軟件致力于耦合場的分析計算，能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)、流體、熱、電磁四種場的計算，已博得了世界上數(shù)千家用戶的鐘愛。ADINA非線性有限元分析軟件由著名的有限元專家、麻省理工學(xué)院的K.J.Bathe教授領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)，其單一系統(tǒng)即可進(jìn)行結(jié)構(gòu)、流體、熱的耦合計算。并同時具有隱式和顯式兩種時間積分算法。由于其在非線性求解、流固耦合分析等方面的強(qiáng)大功能，迅速成為有限元分析軟件的后起之秀，現(xiàn)已成為非線性分析計算的首選軟件。縱觀當(dāng)今國際上有限元軟件的發(fā)展情況，可看出有限元軟件的一些發(fā)展趨勢：與CAD軟件的無縫集成；更為強(qiáng)大的網(wǎng)格處理能力；由求解線性問題發(fā)展到求解非線性問題；由單一結(jié)構(gòu)場求解發(fā)展到耦合場問題的求解；程序面向用戶開放等。研究內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案：3.1研究內(nèi)容：利用ANSYS有限元仿真軟件對檢測不同腐蝕程度的埋地金屬管道建立二、三維模型。通過實(shí)驗(yàn)的方法對對人工加工腐蝕的金屬管道用瞬變電磁法檢測，得到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。將實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與仿真的結(jié)果進(jìn)行對比，若兩者結(jié)果一致，則驗(yàn)證了仿真的結(jié)果是準(zhǔn)確、可信的。3.2仿真軟件3.2.1ANSYS仿真軟件ANSYS軟件由美國ANSYS公司開發(fā)，是目前世界上通用的、大型的并以有限元分析法為基礎(chǔ)的CAE（Computer-aidedEngineering)軟件。它由前處理模塊、加載和求解模塊以及后處理模塊組成。ANSYS軟件具有很好的兼容性，不論是PC機(jī)、工作站還是巨型計算機(jī)，ANSYS文件在其所有的產(chǎn)品系列和工作平臺上都可以運(yùn)行。它可以將結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場的分析融為一體，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空戶在多領(lǐng)域多變工程問題的求解航天、土木工程、機(jī)械制造、水利水電工程等領(lǐng)域。3.2.2ANSYS軟件仿真原理利用ANSYS軟件作為仿真分析工具，建立不同壁厚缺陷的數(shù)學(xué)模型，對缺陷所產(chǎn)生的瞬變電磁信號進(jìn)行分析。對比不同壁厚的缺陷的數(shù)學(xué)模型，為瞬變電磁檢測的定量化研究分析提供依據(jù)。3.2.3ANSYS軟件特點(diǎn)ANSYS軟件的單元類型有100多種，方便用戶模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。它具有功能極為強(qiáng)大的前后處理及計算分析能力，為解決復(fù)雜的工程項(xiàng)目提供了一個良好的工作環(huán)境，更使人們從繁瑣、單調(diào)的常規(guī)有限元編程中解脫出來，非常適合快速、有效地分析某些電力設(shè)備的電磁場。ANSYS軟件可分析以下類型的電磁場：二維靜態(tài)、諧性和瞬態(tài)磁場分析；基于邊界的三維靜態(tài)、諧性和瞬態(tài)磁場分析以及基于節(jié)點(diǎn)的三維磁場分析[11]~[12]（靜態(tài)、諧性和瞬態(tài)）電場分析，另外還有用于分析和計算電磁場或波輻射性能的高頻電磁場分析。ANSYS可應(yīng)用于電場分布、磁力線分布、電感、電容、磁通量密度、渦流、運(yùn)動效應(yīng)、力、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設(shè)計和分析領(lǐng)域。3.3實(shí)驗(yàn)方案：瞬變電磁檢測技術(shù)對不同壁厚的埋地金屬管道具有辨別能力。在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室采用兩種規(guī)格的鋼管進(jìn)行模擬腐蝕缺陷，第一種采用鐵磁性石油鋼管作為研究對象；第二種采用兩根普通的鋼管組合而成，兩根管道緊密放置在一起進(jìn)行檢測。采用瞬變電磁檢測系統(tǒng)[13]~[16]對兩種人工加工的管道進(jìn)行檢測，將實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與仿真的結(jié)果進(jìn)行對比，從而驗(yàn)證仿真的結(jié)果是否可信。3.3具體步驟：3.3.1查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解國內(nèi)外研究現(xiàn)狀；3.3.2ANSYS仿真熟悉ANSYS仿真軟件。配置ANSYS環(huán)境.仿真教程中的ANSYS分析案例，并得出正確結(jié)果埋地金屬管道的二維模型在ANSYS軟件中的仿真分析。對埋地金屬管道建立二維模型。對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。（3）埋地金屬管道的三維模型在ANSYS軟件中的仿真分析。對埋地金屬管道建立三維模型。對仿真的結(jié)果進(jìn)行分析。（4）對二維或三維模型進(jìn)行改進(jìn)建立改進(jìn)后的模型結(jié)論與分析3.3.3進(jìn)行對比試驗(yàn)，驗(yàn)證仿真結(jié)果了解瞬變電磁檢測系統(tǒng)并熟悉操作內(nèi)容使用瞬變電磁檢測系統(tǒng)檢測兩種不同腐蝕程度的金屬埋地管道，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。分析檢測結(jié)果，得出結(jié)論：仿真的結(jié)果是可行的。四、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度4.1目標(biāo)： 埋地金屬管道瞬變電磁法檢測是檢測管道腐蝕程度的方法之一。該方法具有分辨率高、簡單易行、信息豐富的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)在役、非開挖檢測，但基礎(chǔ)理論和資料的解釋相對滯后，研究埋地金屬管道瞬變電磁法檢測的原理與方法，采用ANSYS有限元仿真軟件對不同壁厚埋地金屬管道瞬變電磁場進(jìn)行數(shù)值計算，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值計算結(jié)果，從而驗(yàn)證仿真的結(jié)果的準(zhǔn)確、可信。4.2主要特色：瞬變電磁法有簡單易行、信息豐富、精度較高等優(yōu)點(diǎn)，在很多方面得到了廣泛應(yīng)用；ANSYS軟件為解決復(fù)雜的工程項(xiàng)目提供了一個良好的工作環(huán)境，更使人們從繁瑣、單調(diào)的常規(guī)有限元編程中解脫出來，非常適合快速、有效地分析某些電力設(shè)備的電磁場。利用ANSYS軟件建立瞬變電磁檢測金屬管道模型，檢驗(yàn)仿真方法的正確性，分析不同缺陷尺寸對仿真結(jié)果的影響，為瞬變電磁檢測金屬管道的機(jī)理提供依據(jù)4.3工作進(jìn)度：03.09-03.20 資料收集，英文翻譯，開題報告撰寫03.21-04.15 熟悉瞬變電磁法檢測原理和特點(diǎn)04.16-04.30 掌握瞬變電磁檢測金屬管道有限元分析方法05.04-05.15 有限元分析、信號處理05.16-05.31分析方法改進(jìn)06.01-06.26論文撰寫與答辯五、參考文獻(xiàn)[1]黃桂柏.瞬變電磁法在埋地鋼質(zhì)管道腐蝕檢測中的應(yīng)用[J].石油化工腐蝕與防護(hù)2001,18(4):39-42[2]金虹.漏磁檢測技術(shù)在我國管道腐蝕檢測上的應(yīng)用和發(fā)展[J].控制與測量，2003,1:43~46[3]MichaelJ.Quarry，JosephL.Rose.MultimodeGuidedWaveInspectionofPipingUsingCombTransducers[J].JournalofNondestructiveEvaluation.2003[4]VijayBabbar,LynannClapham.ResidualMagneticFluxLeakage:ApossibleToolforStudyingPipelineDefects[J].JournalofNondestructiveEvaluation.2003,22(4):117~125[5]牛之璉.時間域電磁法原理[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2007.[6]張紅松.ANSYS14.0電磁學(xué)有限元分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2013.[7]董紹華.管道完整性技術(shù)與管理[M].北京：中國石化出版社，2007.[8]愈蓉蓉，蔡志章.地下金屬管道的腐蝕與防護(hù)[M].北京：石油出版社，1998.[9]徐凌華.基于有限單元法的二維/三維大地電磁正演模擬策略[J].物探化探計算術(shù),2009,31(5):421～425.[10]何宏，江秀漢，李琳.國內(nèi)外管道腐蝕檢測技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].油氣儲運(yùn)，2001,20(4):7~10.[11]鞠偉.磁法檢測成像技術(shù)研究[D].南昌航空大學(xué)，2011[12]SwidinskyA.Thetransientelectromagneticresponseofaresistivesheet:Anextensiontothreedimensions[J].GeophysicalJournalInternational.2010,182(2):663～674.[13]郝延松.埋地管道腐蝕瞬變電磁法檢測試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理研究[D].南昌航空大學(xué),2013.[14]吳莉佳.瞬變電磁法檢測埋地金屬管道腐蝕的ANSYS仿真[D].南昌航空大學(xué),2013.[15]應(yīng)征.土石壩隱患瞬變電磁檢測方法研究[D].南昌航空大學(xué)大學(xué),2011.[16]彭學(xué)文.雙層管道瞬變電磁檢測技術(shù)研究[D].南昌航空大學(xué),2010.畢業(yè)設(shè)計文獻(xiàn)翻譯與原文題目：有限元分析交叉楔橫軋學(xué)院：專業(yè)名稱：班級學(xué)號：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：年月外文資料翻譯譯文有限元分析交叉楔橫軋盧布林大學(xué)機(jī)械部副教授茲比格涅夫·佩特

摘要：在有限元分析方法的基礎(chǔ)上，楔橫軋過程的三維力學(xué)模型已經(jīng)發(fā)展的比較 成熟。例如包括應(yīng)變分布，應(yīng)變率，平均應(yīng)力，軋制負(fù)荷組件等在內(nèi)的數(shù)值模擬。 通過此楔橫軋制過程模型手段，能夠預(yù)測限制成型穩(wěn)定的現(xiàn)象，即使失控打滑和 核心縮頸是可能的。卷筒鍛造的軋件已經(jīng)作為一種更先進(jìn)的楔橫軋制過程中的熱 機(jī)械模型而呈現(xiàn)出來。關(guān)鍵詞：交叉楔橫軋，有限元分析，金屬流動，實(shí)驗(yàn)。引言楔橫軋過程包括產(chǎn)品的塑料成型，通過具有楔形形狀的特點(diǎn)和固定在滾軸上或軋機(jī)上或凸或凹的平板的工具來完成的。楔橫軋過程中形成的順序主要取決于正在使用的工具的形狀。一個典型的楔形模具（圖1）包括下列區(qū)域：切割區(qū)域，拉伸區(qū)域，上漿區(qū)域。在切割區(qū)域，工具削減材料達(dá)到所需的深度Δh,逐步減少直徑從d。到d。然后在拉伸區(qū)域更進(jìn)一步地減少直徑在楔板側(cè)壁的影響下到達(dá)所要求的2l寬度。上漿區(qū)域是確保去除產(chǎn)生于過程前期的任何不想要的曲度。側(cè)銑刀往往納入后上漿區(qū)，以分開鍛造部分的形變末端，或者銑刀在同時形成兩個鍛造件的情況下分離產(chǎn)品。成形角度α，擴(kuò)散角度β，和相對的減少量δ是主要的楔橫軋工藝參數(shù)。楔橫軋過程應(yīng)用于金屬工業(yè)，主要用于形成拉長的產(chǎn)品，即階梯軸或軸。此外這個過程通常被用于須完成鍛壓得鍛造預(yù)型件的制造。在與傳統(tǒng)的制造工藝相比，即加工，鍛造，鑄造，交叉楔橫軋具有很多優(yōu)點(diǎn)，特別是下面的：高效率，更好的材料利用率;產(chǎn)品的高強(qiáng)度參數(shù);降低能源消耗;促進(jìn)自動化和環(huán)境無害。盡管有這么多的優(yōu)點(diǎn)，楔橫軋工藝在工業(yè)條件一直沒有廣泛應(yīng)用。原因主要是設(shè)計能夠確保工藝平穩(wěn)進(jìn)行并且產(chǎn)品成型沒有表面和內(nèi)部的缺陷的刀具存在困難。因此，需要進(jìn)一步開展調(diào)查研究，以確定的影響的跨楔橫軋工藝的原因。在筆者的管理下，作為活動的結(jié)果進(jìn)行了開展，一個新的兩階段的用于設(shè)計楔橫軋過程的工具概念的已創(chuàng)建。在第一階段，楔橫軋的過程層建模方法的基礎(chǔ)上，分析一系列流程案例，在假定目標(biāo)函數(shù)上，選擇一個最佳的變型。那么，最佳的變體是在第二階段利用有限有限元方法，進(jìn)行的詳細(xì)分析。在本研究中，楔橫軋過程的機(jī)械和熱機(jī)械模型使用有限元方法進(jìn)行了討論。一些選定的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行的理由商業(yè)軟件包（MARC/AutoForge）已經(jīng)提出。圖1交叉楔橫軋應(yīng)用有限元方法模型描述MARC/AutoForge商業(yè)軟件套件，使用有限元分析位移表示已用于金屬楔橫軋過程中的流動分析。這個軟件是適用于機(jī)械或熱機(jī)械發(fā)生在平坦部形成過程的建模，軸向?qū)ΨQ或三維應(yīng)變狀態(tài)。由于問題的復(fù)雜性質(zhì)，楔橫軋過程模擬，將專門在三維應(yīng)變狀態(tài)下執(zhí)行。由于這一事實(shí)，在連接發(fā)生的材料和邊界條件下，非線性以及顯著的工具沖程，需要數(shù)十小時在即使簡單的成形情況下計算。使用以下假設(shè)或簡化：假設(shè)這一過程是等溫條件下進(jìn)行;分析軋制工藝簡單鍛件;假設(shè)過程對稱;適用于恒定的摩擦系數(shù);假設(shè)模型工具材料的剛性。使用上述的假設(shè)，楔橫軋制過程中的幾何模型已被創(chuàng)建-見圖2。該模型包括：鋼坯，對稱面，線速度0.1米/秒的移動工具楔子。為鋼坯造型，8節(jié)點(diǎn)立方元素已被使用。元素類型的選擇是計算中所需的網(wǎng)格再劃分的結(jié)果，并且當(dāng)?shù)刃?yīng)變設(shè)定值的增加已經(jīng)超出時程序自動完成。20MnCr5鋼熱成型過程的數(shù)值模擬已執(zhí)行。此鋼種的流動應(yīng)力由以下功能：圖2交叉楔橫軋的模型正在形成的材料彈塑性模型已被用于計算。楊氏模量的值，熱膨脹系數(shù)，比熱和導(dǎo)熱系數(shù)已根據(jù)MARC/AutoForge程序數(shù)據(jù)庫假設(shè)。假設(shè)這些計算中泊松比（0.3）和密度（7680公斤/米）的恒定值。由于可變的接觸面的摩擦力，均勻摩擦下列的模式，即根據(jù)金屬工具，滑移速度，已應(yīng)用在模擬過程中：其中：m=摩擦系數(shù)；=滑移速度矢量;=系數(shù)，比滑移低幾個數(shù)量級速度。對于目前的分析，=已經(jīng)假定0.1％的工具速度。此外，由于潤滑，最高摩擦系數(shù)，m=1.0,已經(jīng)假定材料工具的接觸面。對于熱機(jī)械計算假設(shè)鋼坯和工具溫度以及熱交換系數(shù)也是必要的。定期與工具的接觸是在楔橫軋過程中增加多次溫度的工具。在工業(yè)條件下，后者則穩(wěn)定在約120度的水平。鋼坯及周圍空氣鍛件部分能達(dá)到1050℃和50℃分別的溫度。10千瓦/平方米的熱交換因子的假定計算值應(yīng)用于熱軋過程建模，對于污垢層接近10微米的金屬層來說基本沒有摩擦。模擬之結(jié)果精確跟蹤材料的流動機(jī)制，應(yīng)變分布的測定，應(yīng)變率，溫度和應(yīng)力值，形成載荷的計算和預(yù)測潛在的缺陷是可能的，通過有限元素方法。物料流通過下面的參數(shù)說明：α=30度,β=5度,δ=1.25,do=25mm(Figure3).人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在最初的切削階段材料定位楔子在相反的方向旋轉(zhuǎn)刀具的運(yùn)動。當(dāng)一個楔子確定的深度，基本成形，在這期間所形成的材料是在刀具的運(yùn)動方向旋轉(zhuǎn)。一個V形槽當(dāng)它們?nèi)コ牧蠒r，通過楔子在材料圓周形成。流失的金屬被存放造成局部直徑增加。螺旋截面減少工件的增加延長期間進(jìn)一步相楔橫軋節(jié)正在推出的整個長度的過程。圖3應(yīng)用有限元的分析過程楔橫軋過程的高級階段確定的等效應(yīng)變分布，參見圖4。選擇為了使監(jiān)測斷面的分布已確定滾動區(qū)域的整體長度的等效應(yīng)變變化。應(yīng)變分布層性質(zhì)已發(fā)現(xiàn)的，在最外層，減少對中央部分的鍛造應(yīng)變。這樣的性格，應(yīng)變結(jié)果，在楔橫軋過程所形成的產(chǎn)品分布也得到了證實(shí)實(shí)驗(yàn)。也可以是正在推出的部分全長截面變化分析（圖4）。在楔形側(cè)壁的影響下，橫截面橢圓化發(fā)生，這將是大小的工具表面所淘汰。此外，面朝成為凹（見圖4）的材料，作為一個導(dǎo)致材料表面流動。參考截面等效應(yīng)變分布圖5，坐落在對稱平面，通過平板楔和三輥軋制過程確定。正如圖中所示，三輥軋件的情況下，一個幾乎圓形截面可以更快的得到。因此可以斷定，這交叉的方法楔橫軋，將減少的趨勢失控滑的特點(diǎn)。然而，最終應(yīng)變圖獲得模擬成形方法幾乎相同。從應(yīng)力分析獲得的重要數(shù)據(jù)。平均應(yīng)力бm的變化在工件的截面坐落在對稱平面，如圖6。在談到進(jìn)一步平均應(yīng)力бm的分布后工件定位（圖6a）和旋轉(zhuǎn)后的工件的1/4（圖6b）和1/2（圖6c），1個全旋轉(zhuǎn)（圖6d）。對于бm>0并進(jìn)一步增加，凝聚在這方面的材料損失的概率也更大。作為一個地區(qū)金屬切割工具直接秉承楔子的結(jié)果，后者與壓縮最低講發(fā)生在接近地表附近的橫截面與工具接觸的角落。拉伸在秉承方面講似乎沒有影響到??這些層的材料，沒有任何變形之間的接觸材料和工具。連接這兩個地區(qū)通過中央部分的橫截面。拉伸應(yīng)力區(qū)減少削減到材料的楔子。圖4應(yīng)用有限元部分全長截面變化分析圖5參考截面等效應(yīng)變分布圖圖6平均應(yīng)力бm的分布參考圖7為切線（在工具的運(yùn)動方向）和徑向（垂直表面校準(zhǔn)XZ工具）的負(fù)載元件分布計算無縫線路的過程中3例。正如所料，增加負(fù)載伴隨增加δ相對減少。得到曲線的質(zhì)量符合所測得的實(shí)驗(yàn)曲線作者和包含的文件。精確跟蹤的現(xiàn)象產(chǎn)生不利影響的楔橫軋過程中，尤其是失控滑和核心縮頸，有可能通過有限元方法。不受控制的滑移發(fā)生時，由部隊(duì)造成的時刻促進(jìn)工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動低于力量抵消旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的時刻。旋轉(zhuǎn)能力的損失工件通常發(fā)生在伸展區(qū)的初始階段。失控的滑移促進(jìn)了：大傳播角度β和大成形的角度α，低摩擦系數(shù)m;值低的相對減少。席地被不受控制的滑移影響的過程中獲得的產(chǎn)品，應(yīng)變分布的分析，可以發(fā)現(xiàn)發(fā)生在工件表面的金屬位移從側(cè)墻造成的結(jié)果，最大應(yīng)變值在軸向方向的楔形（圖8）。然而，在可見的橫截面顯著的材料橢圓化鍛造層株具有一定傾角的楔形方向。這種傾斜的結(jié)果是工件旋轉(zhuǎn)過程中的初始階段，即在砍階段。鍛造核心縮頸是大傳播的角度β和大型成形角度α和過度值δ的結(jié)果同時承擔(dān)相對減少。請參閱圖9縮頸模擬機(jī)制的核心手段有限元分析。上滾動案例分析的理由，其中代表，可以發(fā)現(xiàn)在這一過程是穩(wěn)定初始階段的過程，即在切割階段。然而，分歧出現(xiàn)在伸展階段，延伸的楔形側(cè)面墻壁，造成材料的伸長率在軸向方向，而不是其拉伸（拉伸）。螺旋減少，導(dǎo)致增加，直到出現(xiàn)金屬凝聚力的喪失。在這種滾動的最大株情況下，出現(xiàn)在被削減的核心。楔橫軋過程的影響從核心的穩(wěn)定造成的損失徑向組件和負(fù)載發(fā)生在縮頸是由減少切線值的特點(diǎn)XZ伸展區(qū)。圖7切線和徑向的負(fù)載元件分布圖8軸向方向的最大應(yīng)力值已取得使用卷軸鍛造形成的楔橫軋制過程中的熱機(jī)械模擬平面工具手段（圖10a）。它假設(shè)計算，所形成的錐面上轆手段凸楔子。為了獲得這樣一個形狀的鍛造，工具與變楔角，設(shè)計按照文獻(xiàn)假設(shè)包括指引。圖10b所示的工具。參考卷軋制過程中獲得的溫度分布圖11，結(jié)果其中有關(guān)由75毫米，150毫米，225毫米和300毫米，為楔位移連續(xù)的過程階段分別。使用圖11中，一個可以分析楔橫的過程中，在溫度發(fā)生變化軋制過程。一般來說，最高溫度出現(xiàn)在鍛造的核心部分，其中溫度可增加高達(dá)30℃，應(yīng)變產(chǎn)生的熱量引起的。最酷的金屬發(fā)生在附近的金屬刀具接觸陡峭的溫度梯度的特點(diǎn)是密集的金屬冷卻到150℃該工具。同時，未受影響的表面由空氣冷卻，溫度在軋制過程中減少了約50℃。圖9縮頸模擬機(jī)制的核心手段有限元分析圖10楔橫軋制過程圖11高溫軋制過程實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為驗(yàn)證計算結(jié)果的目的，進(jìn)行了一個特殊的實(shí)驗(yàn)。在這個實(shí)驗(yàn)形成了直徑為22毫米的鋼坯，使用一個滾動的立場WPK-1，由作者設(shè)計和建造。詳細(xì)說明這臺機(jī)器的提出在文獻(xiàn)。鋼坯軋制直徑為14毫米（1.57）與楔子30度成形的角度和傳播角度5度。為了提高軋制過程的穩(wěn)定性，鋸齒上作了成形楔形雙方工件和刀具之間，以防止失控打滑。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了在室溫下。商業(yè)純鉛的流動應(yīng)力與應(yīng)變曲線由鋼坯公式如下：WPK-1機(jī)配備了一個數(shù)字化測量系統(tǒng)。這使得測量以下參數(shù)：工件和軋輥轉(zhuǎn)速，徑向載荷和軋制力矩。所有參數(shù)的測量輥的旋轉(zhuǎn)同步進(jìn)行，每1度。工件轉(zhuǎn)速以及在實(shí)驗(yàn)過程中獲得的徑向負(fù)荷分布顯示在圖12。此外，通過有限元計算這些參數(shù)的特點(diǎn)是在圖12。圖12的實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果比較，我們發(fā)現(xiàn)，參數(shù)值認(rèn)為相關(guān)性非常良好。這表明，得到的數(shù)值結(jié)果確實(shí)產(chǎn)生可靠的結(jié)果。結(jié)論在本研究中已經(jīng)呈現(xiàn)一個完整的楔橫軋過程的數(shù)值模型。該模型這是根據(jù)有限元理論為基礎(chǔ)，使我們能夠預(yù)測的應(yīng)變和應(yīng)力狀態(tài)，載荷計算價值，以及預(yù)測限制的楔橫軋制過程穩(wěn)定的現(xiàn)象。這個模型可以用來分析楔橫軋過程中成形的幾個工藝參數(shù)的影響。因此，工具的方法設(shè)計試驗(yàn)和目前的基礎(chǔ)上錯誤的方法，將大大簡化。目前為了使產(chǎn)品的楔橫軋過程的模擬模型將不斷發(fā)展更復(fù)雜的形狀。圖12徑向負(fù)荷分布顯示圖參考文獻(xiàn)[1]Y.Dong,M.Lovell,andK.Tagavi,“AnalysisofSlipinCross-WedgeRolling:anExperimentally 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