弹塑性变形阶段力磁效应的有限元模拟

金属磁记忆研究的是由铁磁材料内部应力和应变引起的材料磁性质的变化,而不同类型的形变(弹性和塑性)对材料磁化的影响机制各不相同.本文利用线性强化弹塑性模型,结合材料不同变形阶段对材料磁化影响的物理模型,提出了贯穿所有变形阶段的力磁耦合模型.为了研究不同变形阶段金属磁记忆检测信号的变化,基于上述模型利用ANSYS有限元分析软件,对不同应力载荷下铁磁材料试件表面漏磁场的分布进行了模拟研究.模拟结果表明,弹性变形对金属磁记忆信号的影响并不明显,而小的塑性形变会使磁信号发生锐变.     

基于矫顽力与剩磁的铁磁性材料应力测量

铁磁性材料的磁滞回线代表其在外加磁场下的基本磁特性,磁滞回线反映的磁特性参数磁导率μ、矫顽力H_C、剩磁M_R能灵敏地反应铁磁性材料的微观组织结构。针对铁磁性材料受应力易发生形变的问题,该文研究铁磁性材料内部磁畴结构和所受应力的关系,利用应力引起的磁特性参数的变化确定材料所受的应力大小,基于U型磁轭的电磁检测原理,测量激励线圈中的电流值和感应线圈上的电压值,采集被测磁回路的磁滞回线并计算矫顽力、剩磁。结果表明:矫顽力数值会随拉力的增大而升高,剩磁随拉力的增大呈阶段性变化,利用矫顽力与剩磁可以实现铁磁性材料的受力分析。     

X80管线钢不同缺陷类型的磁记忆检测试验研究

为探究X80管线钢不同缺陷类型的力磁耦合特性,设计了平板试件与穿孔、边缘切槽3种不同试件,通过金属磁记忆检测方法对X80管线钢试件不同缺陷类型的磁记忆信号特征进行了试验研究.采用材料试验机对试件导入不同程度的塑性损伤与应力集中,通过光学应变测量系统获取试件表面的实时应变情况,同时采用磁记忆检测仪对试件表面诱发磁场的法向分量与切向分量进行卸载离线检测.结果表明:随着塑性损伤程度的增加,无缺陷试件的磁记忆信号法向分量与切向分量从平缓趋向波动,但未出现明显的峰值;含穿孔与切槽试件磁记忆信号法向分量在缺陷处出现过零点与反对称双峰,切向分量出现单峰值,并且渐趋明显.初步探究了X80管线钢塑性损伤与磁记忆信号之间的关联性,为油气管道塑性损伤程度的无损定量评价奠定了基础.     

铁磁试件缺口种类对磁记忆信号的影响研究

为研究铁磁试件不同缺口对磁记忆信号的影响,利用ANSYS有限元仿真软件,结合力磁耦合模型,在拉应力和地磁场的共同作用下对3种不同缺口的20#钢板进行仿真,分别提取磁记忆信号切向分量和法向分量。仿真结果表明：在地磁场作用下,随着拉应力的增大,3种试件在各自缺口处均出现应力集中现象,在拉应力大于120 MPa后应力集中现象愈发明显。受到同样大小的拉应力时,V形缺口试件倾向于裂纹的扩展,而U形缺口试件倾向于裂纹的形成,U形缺口的应力集中范围更大,因此双关联缺口试件在U形缺口处更易断裂。双关联缺口试件磁记忆信号法向分量约为检测路径上两个缺口处磁记忆信号值的叠加之和,故试件被近似磁化成一个磁铁。双关联缺口试件检测路径中间点的磁记忆信号切向分量并没有极值,因此用其判断双关联缺口试件的应力集中区不再适用。缺口试件在弹性阶段,磁记忆信号随拉应力变化幅度较小;缺口试件在塑性阶段,磁记忆信号值随拉应力变化幅度较大。因此可以利用试件弹、塑性阶段磁记忆信号变化,对工程试件的缺陷损伤进行早期识别。     

磁场对铁磁试件力磁耦合关系的影响研究

为研究磁场对铁磁试件力磁信号分布规律的影响,对不同附加环境磁场下的45#钢试件进行静载拉伸试验,检测试件表面的磁记忆信号B的大小,并对试件在不同附加环境磁场下的力磁耦合关系进行分析讨论。试验结果表明:在磁场环境作用下B随应力增大而增大,在屈服点附近达到最大值,此后各点B值基本保持稳定;附加环境磁场并未改变力磁信号的变化规律,但可增加磁记忆信号的大小数值,且磁化状态变化量D随着附加环境磁场的增大而增大,当H为240 A/m时达到最大,随后开始减小;在塑性变形阶段,力磁信号表现为先减小后增大的磁化反转现象。故附加环境磁场不影响金属磁记忆技术的定性评价,但影响定量评价,因此可用磁记忆检测技术来判断铁磁试件的力磁耦合特征,对金属磁记忆定量检测的进一步研究具有重要意义。     

磁巴克豪森噪声检测材料疲劳的励磁频率优化研究

磁巴克豪森噪声在铁磁性材料早期疲劳损伤的检测中具有巨大的应用潜力。在疲劳检测过程中,励磁频率作为磁巴克豪森噪声的激发源,对检测结果有重要影响。实验研究励磁频率对磁巴克豪森噪声检测铁磁性材料疲劳时检测结果的影响规律,以20R钢材料为对象进行低周疲劳实验,并在励磁频率分别为9,16,35,60 Hz下对取自同一母材的3个试件进行疲劳过程中的磁巴克豪森噪声信号测量。实验结果表明,励磁频率较小时,3个试件测量结果分散,而当选择60 Hz励磁频率时,3个试件测量结果一致性良好;同时在60 Hz较高励磁频率下,疲劳过程中磁巴克豪森噪声信号幅值平均变化量是9 Hz较低励磁频率时的2.2倍。60 Hz较高励磁频率对材料的疲劳损伤程度的分辨力强,且分散度小。     

45冷轧钢拉应力作用的力-磁效应研究

在不同的最大拉应力作用下，反复加载．卸载，测量了45冷轧钢试件在加载和卸载过程中试件表面某确定点漏磁场随拉应力的对应关系。试验结果表明，当最大拉应力＜610MPa时，磁感应强度随应力的变化关系为线性关系。当最大拉应力处于610MPa与屈服点653MPa之间时，磁感应强度随应力的关系由直线关系变为折线关系，并且折线极值点的位置由较小应力处迅速变为较大应力处位置。在极值点位置向高应力方向移动过程中，磁感应强度的变化量迅速增大。当最大拉应力大于屈服点时，磁感应强度的变化量保持较大的状态，折线极值点的位置基本保持不变。得到了试件在拉应力作用下的磁化关系，同时证实了可以通过磁信号的大小对试件的安全性做出评估。     

高速钢轨缺陷的漏磁检测及反演

为保障高速铁路行车安全,从铁磁性材料磁化的机理出发,分析漏磁检测的基本原理,介绍漏磁检测技术在钢轨缺陷检测中的应用研究,提出高速钢轨缺陷的漏磁检测方法。采用有限元法建立缺陷漏磁检测模型,分析缺陷漏磁场Bx、By和Bz分量的特点,并针对高速钢轨漏磁检测中缺陷提取相应的特征参数,运用人工神经网络的方法实现漏磁检测缺陷的反演,取得较好的反演结果。     

基于磁记忆的Q235b受弯钢梁力磁效应数值模拟

为推进金属磁记忆检测技术在建筑钢结构领域的应用,量化金属磁记忆信号与构件应力状态之间的关系,本文以建筑钢框架中常见的工字型钢梁为例,采用ANSYS有限元分析软件,结合应力与磁导率的磁机械耦合模型,对不同载荷工况下的受弯钢梁进行力-磁耦合有限元模拟研究。通过对比集中力作用下4点受弯工字钢梁的试验结果与有限元计算结果,发现二者的漏磁场磁感应强度法向分量B(y)曲线及其峰峰值ΔB(y)具有较好的一致性,证实了模拟方法的可行性与准确性。考虑钢框架在正常使用中的实际受力状态,利用上述模拟方法,对均布荷载作用下两端固结工字钢梁进行力-磁耦合有限元模拟。结果表明,均布荷载作用下漏磁场磁感应强度法向分量B(y)和漏磁场法向分量梯度K(y)曲线均在应力最大和最小处发生突变,且漏磁场法向分量梯度K(y)曲线能较好地反应钢梁应力最大和最小变化区域、幅度和趋势。提出了用应力集中截面磁信号法向分量的平均值B(y)_avg和磁信号法向分量梯度的平均值K_avg表征钢梁在该截面应力变化情况。     

碳素钢在不同应力作用下的漏磁场分布特征

选取45#钢平板缺口试样进行拉伸实验,在线测量各组试样在不同拉伸载荷时的试样表面漏磁场分布;同时利用ANSYS有限元分析软件对各组试样在不同拉伸载荷下的应力分布进行有限元分析,并提取应力分布结果.分析了试样表面漏磁场分布与应力分布之间的关系以及应力对磁记忆信号的影响;在磁记忆特征值提取方面,利用传统的磁场梯度K值可以有效检验应力集中部位,同时本文提出一种新的基于磁记忆信号能量的检测特征值,实验证明可以通过此特征值对试样的安全性做出检测及评估.     

18CrNi4A钢力-磁效应的ANSYS模拟

采用大型有限元分析软件ANSYS建立18CrNi4A试样及其周围空气层的有限元模型,对其进行地磁场中拉伸载衙下的力-磁效臆有限几模拟,得出试样应力分布网以及试样表面切向和法向漏磁场分布结果;磁场下应力集中对磁记忆信号的影响进行分析;最后,将模拟结果与实际试验结果进行比对,得出分析结果,为磁记忆检测技术的机理和试验的深入研究提供依据.     

环境磁场对20钢应力-磁效应的影响

应力的磁效应是磁记忆检测技术的理论基础,也是探讨相关机理问题的关键所在。测量了在不同环境磁场条件下,20钢试样的磁化状态随拉应力的变化规律。结果发现,环境磁场对力-磁效应的关系规律具有明显的影响,磁记忆检测技术的定量评价体系与地磁场有关。     

超精密大行程麦克斯韦磁阻驱动器磁场建模与推力分析

为了克服大行程麦克斯韦磁阻驱动器在大气隙下漏磁大幅增加、气隙区磁场分布不均匀且非线性强烈等现象导致的磁场和推力解析模型精度较低等问题,利用考虑综合高斯函数的加权漏磁系数的磁路建模方法,改进了磁阻驱动器的三维漏磁分布计算方式,并得到了可准确描述其推力与输入电流函数关系的解析模型,从而为该类驱动器的设计及控制提供重要依据。首先,建立了大行程麦克斯韦磁阻驱动器考虑漏磁前后的工作磁路,分析了永磁偏置磁路的作用及使用永磁偏置结构后仍具有非线性的原因,并利用安培环路定律和磁路的欧姆定律以及磁场的可叠加性,建立了该磁阻驱动器的推力解析模型。然后,为了优化解析模型,提出了基于高斯曲线的加权漏磁系数计算方法,同时利用有限元仿真软件对大行程麦克斯韦磁阻驱动器的三维磁场分布及漏磁系数进行了分析计算,得到了考虑加权漏磁系数的推力解析模型。最后,搭建了大行程麦克斯韦磁阻驱动器推力测试系统,并通过对比优化前后解析模型计算推力与仿真推力和实测推力,验证了解析模型的准确性。结果表明,优化后解析模型的均方根误差仅为优化前的11.1%,其精度得到有效提升;同时,优化后解析模型计算推力与实测推力之间的均方根误差小于0.6 N,精度较高。研究结果对高端微纳制造装备与测量仪器中新型超精密驱动部件的设计有一定意义和参考价值。     

Effects of a high-gradient magnetic field on the migratory behavior of primary crystal silicon in hypereutectic Al–Si alloy

The migration of primary Si grains during the solidification of Al–18 wt%Si alloy under a high-gradient magnetic field has been investigated experimentally. It was found that under a gradient magnetic field, the primary Si grains migrated toward one end of the specimen, forming a Si-rich layer, and the thickness of the Si-rich layer increased with increasing magnetic flux density. No movement of Si grains was apparent under a magnetic field below 2.3 T. For magnetic fields above 6.6 T, however, the thickness of the Si-rich layer was almost constant. It was shown that the static field also played a role in impeding the movement of the grains. The primary Si grains were refined in the Si layer, even though the primary silicon grains were very dense. The effect of the magnetic flux density on the migratory behavior is discussed.     

Effects of a high-gradient magnetic field on the migratory behavior of primary crystal silicon in hypereutectic Al–Si alloy

Abstract

The migration of primary Si grains during the solidification of Al–18 wt%Si alloy under a high-gradient magnetic field has been investigated experimentally. It was found that under a gradient magnetic field, the primary Si grains migrated toward one end of the specimen, forming a Si-rich layer, and the thickness of the Si-rich layer increased with increasing magnetic flux density. No movement of Si grains was apparent under a magnetic field below 2.3 T. For magnetic fields above 6.6 T, however, the thickness of the Si-rich layer was almost constant. It was shown that the static field also played a role in impeding the movement of the grains. The primary Si grains were refined in the Si layer, even though the primary silicon grains were very dense. The effect of the magnetic flux density on the migratory behavior is discussed.     

基于磁记忆技术的疲劳损伤监测

通过中碳钢缺口退磁试件的拉-拉疲劳实验,利用磁记忆检测仪研究不同循环次数下试件应力集中区的离线磁信号变化特征.结果表明:试件加载前在缺口部位由于几何形状形成漏磁场而产生一异常波,加载后异常波可能产生反向;当循环加载到一定次数后,磁信号曲线趋于稳定;而到最后阶段,缺口部位的异常波波幅不断增加,到断裂时产生激变.通过消除钢...     

Theoretical Analysis and Numerical Simulation of the Feasibility of Inspecting Nonferromagnetic Conductors by an MFL Testing Apparatus

ABSTRACT

It has been widely accepted that the magnetic flux leakage (MFL) testing system can be applied only to the inspection of ferromagnetic materials. The possibility of using the MFL testing apparatus to inspect nonferromagnetic metals is discussed in this article. According to Faraday’s law of induction, eddy current rises in the conductor passing through the MFL magnetizer. The perturbation of eddy current and its corresponding magnetic field caused by defects are theoretically analyzed. Then, the finite element method is carried out to verify the theoretical analyses and extract the perturbed magnetic field signals. Furthermore, the influences of specimen conductivity and moving velocity on the detection signal amplitude are also simulated. The results show that the nonferromagnetic conductors are possible to be inspected by the MFL apparatus, and higher conductivity or inspection speed will facilitate the inspection.     

场量测量在变交漏磁检测技术中的应用

介绍了以AD637为基础建立的交变漏磁场测量调理电路,完成了基于A3515霍尔元件的漏磁场场量测量传感器的设计,阐述了交变漏磁场测量的工作原理和测试方法,通过对钢管矩形裂纹的测试结果表明,该设计实现了测试的目的,在对缺陷信号进行分析和处理的基础上,提出了基于"缺陷环"的识别方法.     

磁场作用下磁流变液剪切性能的实验分析

本文研究了磁流变液的力学性能,制备了羰基铁粉体积分数为20%的硅油基磁流变液,观察了磁流变液在磁场作用下的微观变化,测试了磁流变液的剪切性能。实验表明,无磁场作用下,磁流变液为牛顿流体;在磁场作用下,随着剪切速率的增加,剪切应力趋于稳定,表观粘度呈现指数式下降,磁流变液具有剪切稀化效应,符合广义Bingham模型。磁流变液剪切应力和外加电流的依赖关系为:在电流较小时,剪切应力表现为指数增长,指数值约为1.5;随着外加电流的增大,剪切应力表现为线性增长,最终达到稳定值。