CN115587509A - 一种任意缺陷漏磁场的快速计算方法、设备及存储设备 - Google Patents

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CN115587509A CN202211137263.8A CN202211137263A CN115587509A CN 115587509 A CN115587509 A CN 115587509A CN 202211137263 A CN202211137263 A CN 202211137263A CN 115587509 A CN115587509 A CN 115587509A
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张仕忠
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Yichang Huateng Pipeline Engineering Co ltd
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Abstract

本发明公开了一种任意缺陷漏磁场的快速计算方法、设备及存储设备，方法包括：基于实际检测***，建立检测模型，模型包括磁化器、待测对象、检测磁场传感器，待测对象包含任意形状缺陷；对待测对象进行网格划分，得到划分网格后的待测对象的系列单元体；基于检测模型，设置磁化器的磁化参数；根据检测模型和磁化器参数，计算出待测对象的系列单元体所有节点处的磁荷密度值；根据待测对象系列单元的所有节点处的磁荷密度值，依据检测模型，计算出待测对象的检测区域的漏磁场。本发明适应任意复杂形状缺陷的漏磁场计算，且速度快、成本低，在漏磁检测样本数据计算方法，具有显著的优势。

Description

一种任意缺陷漏磁场的快速计算方法、设备及存储设备
技术领域
本发明涉及磁场检测领域，尤其涉及一种任意缺陷漏磁场的快速计算方法、设备及存储设备。
背景技术
漏磁检测技术基于漏磁场现象。所谓漏磁场现象，是指将由铁磁性材料制成的构件进行磁化之后，由于铁磁性材料的磁导率远远超出空气，若该构件在某处存在缺陷，缺陷的存在破坏了材料的连续性，在这种情况下，会导致磁路中的磁力线发生一定的改变，有一小部分磁力线从被测构件的缺陷处泄漏进入到缺陷附近的空气中，在该位置形成了漏磁场。该技术具有原理较为简单、容易应用到实际工程中并且对被检测试件的表面清洁度要求较低等优点，在无损检测领域中具有重要地位，并获得了十分广泛的应用；是目前在工业中技术发展较为成熟并且应用最为普遍的一种管道内检测技术，常被用于长输油气管道等关键结构的缺陷检测。
通过漏磁检测技术可以针对性地对管道所存在的各种缺陷进行形状分析、尺寸分析、位置分析以及量化统计等等。在对检测数据进行分析时，需要根据缺陷的模型计算出对应的漏磁场分布，现有的计算方法主要有磁偶极子模型和有限元方法两种，其中磁偶极子模型计算简单，计算速度快，但其致命缺陷在于无法计算任意缺陷模型的漏磁场信号，而有限元方法的计算能力较强，但该方法建模和计算过程复杂，计算成本高，这导致其无法应用于实际工程中。目前该技术领域中还没有一种既能够对任意形状的缺陷进行计算并且能高效获得计算结果的方法。
发明内容
本发明所解决的技术问题为：如何提供一种可以快速计算任意缺陷的漏磁场信号的算法，以解决现有计算方法中存在的无法计算和计算成本高的问题。
本发明提供的一种任意缺陷漏磁场的快速计算方法，包括以下步骤：
S1、基于实际检测***，建立检测模型，模型包括磁化器、待测对象、检测磁场传感器，待测对象包含任意形状缺陷；
S2、对待测对象进行网格划分，得到划分网格后的待测对象的系列单元体；
S3、基于检测模型，设置磁化器的磁化参数；
S4、根据检测模型和磁化器参数，计算出待测对象系列单元所有节点处的磁荷密度值；
S5、根据待测对象系列单元的所有节点处的磁荷密度值，依据检测模型，计算出待测对象的检测区域的漏磁场。
一种存储设备，所述存储设备存储指令及数据用于实现一种任意缺陷漏磁场的快速计算方法。
一种任意缺陷漏磁场的快速计算设备，包括：处理器及所述存储设备；所述处理器加载并执行所述存储设备中的指令及数据用于实现一种任意缺陷漏磁场的快速计算方法。
本发明提供的有益效果是：解决了现有漏磁场计算方法中存在的无法计算和计算成本高的问题，使得计算成本低，且能够针对任意缺陷模型。
附图说明
图1是本发明方法流程示意图。
图2是本发明具体实施例的三种计算方法的计算结果图；
图3是本发明实施例中硬件设备工作的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，图1是本发明方法流程示意图。
一种任意缺陷漏磁场的快速计算方法，包括以下步骤：
S1、基于实际检测***，建立检测模型，模型包括磁化器、待测对象、检测磁场传感器，待测对象包含任意形状缺陷；
需要说明的是，本发明的缺陷模型为任意形状的缺陷模型；比如管道泄漏模型或其它焊缝缺陷模型；
获得模型的方式为可以通过商用有限元计算软件直接获得缺陷模型；比如COMSOL、ABAQUS和ANSYS等，都可以完成建模并将模型进行划分，或者也可以先采用CAD类的软件建立模型，比如SOLIDWORKS、3DMAX等，再将缺陷模型导入至上述商用有限元计算软件，也可以通过划分网格专用软件，比如HyperMesh等，可以将缺陷模型进行网格划分；作为另一种方式，也可根据自身实际需求，自行对缺陷模型网格划分开源源代码进行适应性修改；
待测对象一般是检测探头在缺陷周边所扫查到的区域；而检测磁场传感器用于测量空间中的磁通密度；
S2、对待测对象进行网格划分，得到划分网格后的待测对象的系列单元体；
需要说明的是，在本发明实施例中，系列单元体为一个四面体单元；在一些其它实施例中，也可以根据实际情况进行更多不同的划分；
系列单元体包括多个节点；每个节点具备节点坐标数据和节点编号数据；
S3、基于检测模型，设置磁化器的磁化参数；
需要说明的是，导入模型数据后，因为在漏磁检测过程中，磁化器是处于运动状态的，为了模拟运动过程，在程序计算中，磁化磁场的位置是变化的，因此在每次计算之前需要对磁化磁场进行调整。
磁化器的参数包括励磁体端面的尺寸、面磁荷密度和位置参数；其中磁体端面的尺寸、面磁荷密度由励磁体本身决定，为固定值；位置参数为变化值，在扫查过程中实时调整；
S4、根据检测模型和磁化器参数，计算出待测对象的系列单元体所有节点处的磁荷密度值；
需要说明的是，获取节点处的磁荷密度值之前，根据磁化器的参数，得到对应四面体单元形心处的外部磁场强度；
计算中，励磁体作为磁化源，用其磁化端面(即励磁体与待检对象的接触面)上分布的面磁荷来等效该磁化源，计算其在待检对象系列单元体所产生的磁场强度。
设接触面各单元中心坐标为(x,y,0)，接触面平行y轴的长度为2Ly，平行x轴的边长度为2Lx其上分布的面磁荷密度为σs。
该接触面多为矩形，但不限于矩形。以矩形为例，则该接触面分布磁荷在待检对象任意场点坐标(xf,yf,zf)处产生的磁场强度的三轴分量Hxf、Hyf、Hzf分别为：
Figure BDA0003851916230000041
Figure BDA0003851916230000042
Figure BDA0003851916230000051
Figure BDA0003851916230000052
需要说明的是，下一步进入节点计算，获取一个未计算的节点的数据信息，计算该节点形心处的磁化磁场强度，然后形成节点的控制方程并进行求解即可获得该单元在节点上贡献的磁荷量，计算完一个节点后获取下一个单元的数据信息继续计算，直到所有的节点都完成一次计算为止。
求解节点处的磁荷密度值的具体计算公式为：
Figure BDA0003851916230000053
式中，χ是磁化率。rij(i＝1,2,2,4；j＝x,y,z)分别是各节点i到对应单元体形心处距离的j轴分量，由节点坐标数据与单元形心坐标数据计算得到；Hxf、Hxf、Hxf分别为单元形心处外部磁场强度的x，y，z轴的分量，由公式(1)计算得到；待测对象任意场点(xf,yf,zf)各节点处的磁荷量分别为{q1f、q2f、q3f、q4f}，为最终求解量；
该控制方程为线性方程组，其中{q1f、q2f、q3f、q4f}为未知量，求解该线性方程组即可得到各节点的磁荷量，求解方法可以采用数学领域中的高斯消元法、LU分解法、雅可比迭代法等方法进行编程求解。
S5、根据待测对象系列单元的所有节点处的磁荷密度值，依据检测模型，计算出待测对象的检测区域的漏磁场。
根据所有节点处的磁荷密度值计算漏磁场的分布，计算公式为磁荷法的基础理论。
步骤S5具体为：由所有场点处各节点磁荷量{q1f、q2f、q3f、q4f}，计算得到待检对象上方待检区域任意场点的漏磁场分布；
设待检对象有系列单元场点数n个，每个场点有节点数m个，则待检区域任意场点处(xk,yk,zk)的漏磁场Bkj(k＝1,2,3…；j＝x,y,z)为：
Figure BDA0003851916230000061
其中Bkj为待检对象待检区域内任意场点处的漏磁场，qi为待检对象第i个节点上的磁荷量(i＝n*m)，ri为第i个节点到场点的距离，li为第i个节点指向场点的矢量。
作为一种实施例，本发明以一个长宽高分别为5mm、4mm、4mm的三维矩形缺陷模型，励磁体端面尺寸为：长100mm、宽为20mm，磁荷密度为100Wb/mm2为例，进行举例说明。
在商用有限元软件COMSOL中直接建立一个长宽高分别为5mm、4mm、4mm的三维矩形模型，并进行网格划分为四面体单元将网格数据导出。同时在COMSOL中建立对应缺陷的漏磁检测模型进行有限元计算，获取有限元方法的计算结果。
根据上述计算公式和计算流程自编写程序，可以采用任意的编程语言，将网格数据导入自编写程序进行计算，可以获得本发明的计算结果。请参考图2，图2是本发明具体实施例的三种计算方法的计算结果图；将该结果与现有的磁偶极子模型计算结果和COMSOL计算的有限元法计算结果进行比较可以说明本发明的有效性。对比结果如下：
表1本发明计算结果与现有方法之间的均方根误差
方法 Bx By Bz
有限元法 1.86％ 2.34％ 1.63％
磁偶极子模型 0.15％ 0.28％ 0.16％
请参见图3，图3是本发明实施例的硬件设备工作示意图，所述硬件设备具体包括：一种任意缺陷漏磁场的快速计算设备401、处理器402及存储设备403。
一种任意缺陷漏磁场的快速计算设备401：所述一种A设备401实现所述一种A方法。
处理器402：所述处理器402加载并执行所述存储设备403中的指令及数据用于实现所述一种任意缺陷漏磁场的快速计算方法。
存储设备403：所述存储设备403存储指令及数据；所述存储设备403用于实现所述一种任意缺陷漏磁场的快速计算方法。
本发明的有益效果是：解决了现有漏磁场计算方法中存在的无法计算和计算成本高的问题，使得计算成本低，且能够针对任意缺陷模型。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种任意缺陷漏磁场的快速计算方法，其特征在于：包括：
S1、基于实际检测***，建立检测模型，模型包括磁化器、待测对象、检测磁场传感器，待测对象包含任意形状缺陷；
S2、对待测对象进行网格划分，得到划分网格后的待测对象的系列单元体；系列单元体包括多个节点；每个节点具备节点坐标数据和节点编号数据；
S3、基于检测模型，设置磁化器的磁化参数；
S4、根据检测模型和磁化器参数，计算出待测对象的系列单元体所有节点处的磁荷密度值；
S5、根据待测对象系列单元的所有节点处的磁荷密度值，依据检测模型，计算出待测对象的检测区域的漏磁场。
2.如权利要求1所述的一种任意缺陷漏磁场的快速计算方法，其特征在于：步骤S3中，磁化器的参数包括励磁体端面的尺寸、面磁荷密度和位置参数；其中磁体端面的尺寸、面磁荷密度由磁化器磁化器中励磁体本身决定，为固定值；位置参数为变化值，在扫查过程中实时调整。
3.如权利要求1所述的一种任意缺陷漏磁场的快速计算方法，其特征在于：
步骤S4中，首先根据磁化器的参数，得到待检对象系列单元体形心处的外部磁场强度；
待检对象系列单元体形心处任意场点坐标(xf,yf,zf)产生的磁场强度的三轴分量Hxf、Hyf、Hzf分别为：
Figure FDA0003851916220000011
Figure FDA0003851916220000021
Figure FDA0003851916220000022
其中，待检对象与励磁体接触面各单元中心坐标为(x,y,0)，接触面平行y轴的长度为2Ly，平行x轴的边长度为2Lx其上分布的面磁荷密度为σs。
4.如权利要求1所述的一种任意缺陷漏磁场的快速计算方法，其特征在于：步骤S4中求解待检对象系列单元节点处的磁荷密度值的具体计算公式为：
Figure FDA0003851916220000023
式中，χ是磁化率。rij(i＝1,2,3,4；j＝x,y,z)分别是各节点i到对应单元体形心处距离的j轴分量，由节点坐标数据与单元形心坐标数据计算得到；Hxf、Hxf、Hxf分别为单元形心处外部磁场强度的x，y，z轴的分量，由公式(1)计算得到；
待测对象任意场点(xf,yf,zf)各节点处的磁荷量分别为{q1f、q2f、q3f、q4f}，为最终求解量。
5.如权利要求1所述的一种任意缺陷漏磁场的快速计算方法，其特征在于：步骤S5具体为：由所有场点处各节点磁荷量{q1f、q2f、q3f、q4f}，计算得到待检对象上方待检区域任意场点的漏磁场分布；
设待检对象有系列单元场点数n个，每个场点有节点数m个，则待检区域任意场点处(xk,yk,zk)的漏磁场Bkj(k＝1,2,3…；j＝x,y,z)为：
Figure FDA0003851916220000031
其中Bkj为待检对象待检区域内任意场点处的漏磁场，qi为待检对象第i个节点上的磁荷量，i＝n*m，ri为第i个节点到场点的距离，li为第i个节点指向场点的矢量。
6.一种存储设备，其特征在于：所述存储设备存储指令及数据用于实现权利要求1～5所述的任意一种任意缺陷漏磁场的快速计算方法。
7.一种任意缺陷漏磁场的快速计算方法设备，其特征在于：包括：处理器及存储设备；所述处理器加载并执行存储设备中的指令及数据用于实现权利要求1～5所述的任意一种任意缺陷漏磁场的快速计算方法。
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