激励磁场对力磁耦合作用的强化机制研究

力磁耦合作用是金属磁记忆检测等电磁无损检测技术的基础。为了探明外加激励磁场在不同应力水平下对力磁耦合作用的影响机制,从磁导率与应力及环境磁场变化关系的角度,在理论上计算了外加激励磁场下力磁耦合作用下与力和磁单独作用下的表面磁场强度之差ΔH,并推导出该差值随着拉应力的增大而增大的结论。用预制缺陷的45钢试样进行对照试验,发现激励磁场对力磁耦合作用的影响ΔH是随着应力的增大而呈类似指数形式递增的。经设计的正交试验验证,激励磁场与应力对磁信号的交互耦合作用显著,且在受力过程中激励磁场对信号的作用水平最大,这与理论分析结果吻合。说明外加激励磁场对力磁耦合作用起到了一定的强化作用。     

基于力磁耦合型的管道电磁应力检测解析模型研究

针对管道应力检测和定量化研究,提出一种基于电磁检测原理的管道应力检测方法。本文以J-A模型为基础,采用分子电流理论建立了管道力磁耦合模型,结合非磁滞条件下铁磁材料磁化曲线,利用管道力磁耦合模型解析计算了磁化方向上外磁场和应力对管壁表面磁场的影响规律,并进行了系统性实验研究。研究结果表明,随应力强度的增加,磁化方向上管道电磁应力检测信号呈现先增大后减小的变化趋势(变化方向翻转),翻转点前后均呈线性关系,但磁场信号变化速率改变,磁力学敏感度发生变化;随着外磁场的增加,在磁化曲线处于磁饱和(磁场强度大于20 KA/m)时,应力对铁磁材料磁化强度影响较小,磁场强度约为5 000 A/m时,应力对磁化强度影响较为显著。     

管道周向磁化漏磁检测有限元分析

为优化管道轴向缺陷漏磁检测磁化器设计,运用三维有限元方法,仿真研究了周向励磁作用下钢管管壁磁化场的分布特征,分析了管道直径、壁厚等结构参数变化对管壁磁化场的影响,研究了不同周向励磁场与管壁磁化场、缺陷漏磁场及背号磁场间的作用关系。仿真研究结果表明：管径越大,管壁周向有效检测区域越大;而壁厚增加,管壁周向有效检测区域也增大,但其磁化强度急剧降低;同时,增加外加励磁强度有利于管壁轴向缺陷检测,但必须研究相应的信号处理算法,以消除背景磁场对缺陷漏磁检测信号的影响。     

基于磁记忆的油气管道应力损伤检测方法研究

应力集中是油气管道损坏的关键因素,对管道安全构成重大威胁。对其进行有效检测,既可发现由应力集中引起的机械损伤亦可实现对管道早期损伤的预判。磁记忆检测技术作为一种应力检测方法得到了业界认可。从能量平衡角度出发,分别从宏观和微观的角度对应力作用下的铁磁体磁记忆信号特征进行分析,建立应力与材料磁化率及原子磁矩之间的理论关系模型。采用基于第一性原理的CASTEP软件对铁碳金属体系的磁记忆力磁耦合过程进行仿真。结果表明,铁磁体在外力作用下,体系能量将重新平衡并达到稳定状态,电子能带及态密度分布特征发生改变,导致材料磁性下降,原子磁矩及材料磁化率随应力增大呈线性减小的变化趋势。通过对含裂纹管道的磁记忆检测,验证了应力损伤磁记忆检测方法的理论分析正确性及工程应用有效性。     

地磁场中应力对磁畴组织结构影响的试验研究

金属磁记忆检测技术是一种能对铁磁构件早期损伤进行有效诊断的无损检测技术。为进一步探索研究金属磁记忆检测的机理,选用粉纹法对Q235平板试样的磁畴结构进行观察,研究地磁场中不同应力状态下该铁磁材料的磁畴结构的变化特征,并且利用高精度弱磁检测装置获取其试件表面的漏磁信号规律。试验结果表明:随外载荷的改变,被观察部位的磁畴类型、畴壁形态有显著性变化,且不同区域的磁畴转变快慢不同但变化趋势相近;同时,随外载荷的增大,试件表面漏磁信号增大。验证了地磁场中铁磁材料的磁畴结构受应力作用发生磁畴移动与转向,并且在应力撤出后这种改变得以保留的规律。为铁磁材料磁记忆检测微观机理的进一步探索研究提供可靠、有效的试验依据。     

磁特性测试系统的优化与两种磁性材料的对比

设计了一种磁特性测试系统,研究了两种磁致伸缩材料(Galfenol、Terfenol-D)的磁特性。采用有限元方法对测试系统中的磁路进行了优化设计,优化后材料内部磁感应强度提高了33.4%,同时克服了材料内部磁化方向在局部发生交变的现象。为研究偏置应力对于材料特性的影响,设计了一种偏置应力连续可调的磁特性测试装置,通过实验得到不同偏置应力下两种磁致伸缩材料磁化强度、磁致伸缩应变与外加磁场以及偏置应力之间的关系。通过对比分析发现,两种材料磁特性存在较大的差异。Terfenol-D较Galfenol驱动能力更强,但是其磁滞非线性比Galfenol更加明显。     

力磁耦合作用下电磁超声换能器换能效率仿真分析

研究了力磁耦合作用下外加应力对电磁超声换能器换能效率的影响。首先通过理论推导,得出外加应力下磁致伸缩材料的本构关系式,而后利用多物理场耦合有限元分析软件COMSOl分析了外加应力对电磁超声换能器换能效率的影响。结果表明:在相同磁场条件下,随着外加应力的增加,磁致伸缩应变和电磁超声换能器换能效率均减小,当外加应力值超过材料的屈服强度时,磁致伸缩振幅趋近于零。因此,使用电磁超声检测器对存在外加应力作用下的工件进行检测时,应适当增加换能器中偏置永磁体剩余磁通密度或增加线圈激励电流大小,以保证较高的检测效率。     

基于主动磁化的钢板应力测量性能提升方法研究

提出一种提高基于磁弹效应的钢板应力测量灵敏度和一致性的方法。从力磁耦合理论模型出发,分析强磁化和弱交流磁化对力磁耦合所起的作用：强磁化能通过降低初始磁导率和统一力磁耦合参数,提高应力测量的灵敏度及一致性;弱交流磁化提供小幅振荡磁场,能有效消除干扰磁场影响。开展了基于磁弹法的钢板应力测量有限元仿真研究,表明当初始相对磁导率较低时,应力作用下的钢板法向磁感应强度变化率较大,即应力测量灵敏度较高。开展了不同强磁化条件下不同厚度钢板的拉伸试验,测量其法向磁感应强度变化。实验结果表明：与未磁化相比,强磁化后钢板应力测量灵敏度有数十倍提升,一致性有数倍至百倍提高。其中,3 mm厚度钢板采用单磁铁移动磁化方式的应力测量灵敏度和一致性参数提高至1.665 mGs/MPa和2%;5 mm厚度钢板采用双磁移动磁化方式的应力测量灵敏度提高至1.41 mGs/MPa,采用单磁铁移动磁化方式的一致性参数提高至0.2%;7 mm厚度钢板采用双磁铁移动磁化方式的应力测量灵敏度和一致性参数提高至1.2 mGs/MPa和1.8%。     

关于利用金属磁记忆方法进行应力定量化评价问题的讨论

对利用金属磁记忆检测技术在应力评价方面的研究现状进行总结,分析磁记忆检测原理和磁机械效应理论之间、应力磁化反转现象和接近定律之间的关系,认为金属磁记忆效应,是稳恒弱磁场激励下的一种力磁效应,符合磁机械效应理论的相关描述和结论。指出弱磁激励情况下力磁关系的非线性、以及检测结果易受众多干扰因素影响的特点,给利用磁记忆检测技术进行应力定量化评价带来实质性困难。磁记忆检测技术的优势,应在研究铁磁材料塑性阶段濒临损伤前的微观缺陷和信号异变的复杂关系以及应力集中和损伤综合作用下异变磁信号的快速和有效识别等方面。     

高速漏磁检测饱和场建立过程及影响因素研究

在高速漏磁检测过程中,随着检测速度增加,有效磁化时间减少,导致被测构件饱和场无法建立,影响磁化效果。采用方波激励模拟外磁场瞬变情况,建立瞬磁场作用下钢管内部磁场响应模型,对钢管内部饱和场建立过程及影响因素进行研究;分析高速漏磁检测时缺陷漏磁场特征,利用有限元方法计算磁场强度和钢管材质对磁化滞后时间及缺陷检测的影响;设计高速漏磁检测实验平台,对不同运行速度和不同外磁场强度下钢管缺陷进行实验研究。结果表明,外磁场瞬变时,钢管内壁中心磁场明显滞后于外磁场,钢管内部饱和场建立时间与磁场强度和材料电导率有关,提高外磁场强度,可快速建立饱和场,减弱磁化滞后时间和涡流效应影响,提升缺陷检测效果和漏磁检测速度,实验结果和理论分析具有很好的一致性。     

Irreversible changes in the magnetization as indicators of stressed-strained state of ferromagnetic objects

The changes in the magnetic properties of low-carbon steels connected with reversible and irreversible magnetization reversal processes under the action of elastic stresses are studied. It is shown that, on the curve of return from the coercive force, the maximal irreversible increment in the magnetization corresponds to the zero values of applied stresses. The application of compressive stresses leads to a sharp decrease in the irreversible component of the magnetization increment. Tensile stresses influence slightly the proportion between reversible and irreversible processes. New possibilities for the multiparametric quasi-static evaluation of stressed-strained states of ferromagnetic objects are revealed.     

Influence of a tension stress field introduced in the elastohydrodynamic contact zone on rolling contact fatigue

The rolling contact fatigue life of modified NU 209 roller bearing inner races subjected to tensile stress mechanically induced in the contact zone, has been investigated using the four-contact fatigue machine.A high tensile stress of 80 MN/m² by a clamp pressure, acting on the inner surface of the specimen, has a catastrophic effect on fatigue life; all specimens burst earlier than pitting failure would have occurred at a near zero tensile stress level.A theoretical study of the influence of the axi-symmetrical stress field, induced by the steady pressure applied inside the hollow rotating cylinder on the stress distribution in the e.h.d. contact zone of cylinders showed a significant increase of the resultant shear stresses caused by tension. The pure shear stress state may exist in the contact zone when the tensile stress level is high.     

Magnetization Distribution over Long Ferromagnetic Steel Pipes in a Weak External Magnetic Field under Elastic and Plastic Bending

The magnetization distributions over ferromagnetic pipes under both elastic and plastic exural stresses are studied. For this purposes the corresponding distributions of these stresses and the residual stresses developing in plastically deformed pipe zones after unloading are calculated. Experimental and theoretical data on the magnetoelastic increments of magnetization induced under tensile and compressive stress are used to find the magnetization distributions.     

钢管纵向伤高速高精漏磁探伤磁化方法

在钢管螺旋推进漏磁检测扫描中,检测速度越快,要求的检测探靴轴向长度越长,使得扫描覆盖范围超出了均匀磁化区,出现信号不一致的问题。针对钢管纵向伤检测中检测精度与速度相互制约的问题,以保证钢管纵向伤高速检测的信号一致性为目标,采用有限元仿真与实验验证相结合的方法,分析了周向磁化中磁极靴的结构对钢管表面磁场均匀性的影响。在此基础上提出了一种纵向伤漏磁检测磁化方法,扩大了钢管表面的均匀磁场区域,在同样的检测区域内提高了检测信号的一致性。     

6063铝合金在不同应力状态下的变形及损伤行为

用平板拉伸、缺口拉伸、剪切试验结合断口形貌观察及有限元模拟等方法,对6063铝合金在三种不同应力状态下的变形及损伤行为进行了研究.结果表明:在不同应力状态下该合金的变形及损伤行为存在明显的差异,剪切时材料的断裂应变远大于平板和缺口拉伸时的,而缺口拉伸时材料的屈服强度及峰值应力大于平板拉伸时的;平板拉伸时试样为拉剪混合型断裂,断口由一定比例的韧窝和剪切平面组成;缺口拉伸时试样有明显的颈缩,断口以韧窝为主;剪切断口以剪切平面为主;损伤行为的有限元模拟结果与试验结果吻合较好.     

水锤波下简支管路的振动应力及疲劳寿命分析

针对飞机液压管路系统存在的故障失效问题,将水锤波模型应用到液压管路疲劳寿命试验中去,根据地面试验常用的简支支承结构,分析了液压管路在水锤波下的应力变化。首先,开展了无油液管路情况的应力分析,确定出了简支管路中应力最大处的位置;然后由浅入深,建立了管路应力的数学模型,并进行了仿真分析,得出在共振状态下管路将很快被破坏的结果;最后,运用损伤力学对管路的理论疲劳寿命进行了估计。研究结果表明,液压管路理论疲劳寿命随着最大应力及其周期数值的增加而快速下降,与实际液压管路故障失效状况基本吻合。     

励磁作用下铁磁管道缺陷磁特性仿真

通过有限元法建立了管道直流磁化的三维模型,分析了励磁状态下铁磁材料的磁特性、缺陷附近材料的磁导率分布特征以及励磁强度、管道厚度、缺陷深度对磁导 率分布的影响。结果表明,饱和磁化后缺陷区域的磁导率分布并不均匀,励磁作用下内壁缺陷可引起外表面磁导率的改变,从而揭示了铁磁性管道内部缺陷检出机理,拓展了涡流检测方法的应用范围。     

磁场辅助加工的研究现状及其发展趋势

将高密度能量场(声、光、电、热、磁等)引入加工区域,辅助或直接形成材料去除是先进制造技术发展的一个重要方向。磁场辅助加工是能量场加工中出现较早的一个技术,其原位吸热和主动控制残余应力的特点,预示了这一技术在材料加工领域的巨大应用前景。从加工过程的磁致效应、工具/工件磁化加工、磁场辅助加工基本理论三个方面对磁场辅助加工的发展现状进行了综述,并对其未来的发展方向进行了展望。