基于LMTO算法磁记忆屈服信号的定量化分析

磁记忆法对铁磁性金属构件的应力集中区域具有很好检测效果。但是,目前构件在弹性阶段和塑性阶段的磁记忆信号特征很难被区分,从而无法对构件的应力集中程度和使用寿命进行有效评估。基于固体电子理论建立了磁记忆效应的边界滑移模型,利用线性化M-T轨道算法(LMTO)计算了固体在弹性、塑性阶段,系统的能量变化、不同轨道电子的自旋态密度的变化情况,进而定量分析了构件发生屈服后的磁记忆信号变化规律。研究结果表明,应力集中程度与系统边界滑移能量呈线性正比例关系,与电子自旋态密度峰峰值、磁记忆信号呈线性反比例关系;构件发生塑性形变后,体系能量和电子自旋发生不可逆的变化,磁记忆信号曲线出现转折点;构件每发生一次塑性变形,磁记忆信号初始值都会变小,曲线斜率变小。     

基于NCPP平面波算法磁记忆信号特征研究

磁记忆检测技术能够对铁磁性金属构件的应力集中区和微观裂纹进行有效的检测。但是,由于缺乏科学的理论解释和系统的实验研究,磁记忆信号特征和磁力学定量变化关系至今没有定论,严重影响了该项技术的发展。本文利用固体电子理论,采用模守恒赝势(NCPP)算法建立了全电子势磁力学模型,计算了固体屈服时,原子磁矩、晶格结构及磁记忆信号的变化特征。计算结果表明:固体的原子磁矩、晶格常数和漏磁信号强度与应力成线性变化趋势,当应力集中程度达到固体的屈服强度时,晶格结构发生畸变,磁记忆信号会产生突变。本文的实验结果与理论计算结果具有很好的一致性。     

基于OPWP算法力磁耦合磁记忆信号特征研究

铁磁材料的塑性变形是严重影响其使用安全的隐患,对其有效检测可以预防破坏事故的发生。磁记忆检测技术可以实现对应力集中引起的材料塑性变形的检测。本文基于密度泛函理论建立铁磁晶体磁记忆检测模型,采用正交化平面波赝势法(OPWP)计算了体心立方晶体结构的铁在塑性变形后力磁耦合磁记忆检测信号的变化特征。结果表明:铁磁材料在塑性变形后晶格结构及能带分布发生改变,仍表现一定的铁磁性但磁性减弱。在受力过程中,晶体内部电子间交换关联作用过程改变,进而导致晶体能带向低能带底移动,轨道电子分布局域性增强,力磁耦合程度减弱。自旋向上和自旋向下的电子态密度分布改变,原子磁矩减小。宏观表现为:磁记忆信号强度下降,磁场变化率与未塑性变形铁相比减小,实验曲线斜率降低,材料整体磁特性减弱。     

基于OLCAO算法金属塑性变形磁记忆信号特征研究

塑性变形是金属材料在应力作用下产生损伤的早期阶段,对其的有效检测可预判危害的发生,实现设备破坏前的预警。针对金属磁记忆检测技术,利用量子力学密度泛函理论建立铁磁材料力磁耦合计算模型,采用原子轨道正交化线性组合法（Orthogonalized linear combination atomic orbitals,OLCAO）计算铁磁晶体在应力作用下的磁特性变化及磁记忆信号特征。结果表明：应力作用引起晶体内部电子运动状态及其分布特征改变,导致体系能带结构和电子态密度分布发生变化,材料的磁特性发生改变,定量表现为原子磁矩随应力的增加而变化。拉应力导致原子磁矩线性减小,压应力导致原子磁矩线性增大。当金属发生塑性变形时,体系的磁矩均发生突变,应力磁矩关系曲线出现拐点,变化速度变慢,表现为磁记忆信号的特殊变化特征。通过铁磁材料的拉伸及压缩试验,验证了理论计算结果的正确性。     

基于LAPW算法磁记忆信号相变特性的研究

当应力达到临界屈服点时,铁磁性金属构件将产生塑性形变,造成重大的安全隐患。金属磁记忆检测技术可以快速、有效地检测出应力集中区域,但是,目前尚无有效的方法对临界屈服点处的磁记忆信号特征进行定量化分析。采用基于密度泛函理论的线性缀加平面波法(LAPW),建立了磁力学耦合模型,分析了临界屈服点的磁记忆信号特征,计算了弹性形变和塑性形变范围内,体系的差分电荷密度、原子磁矩、晶格结构随应力的变化关系。研究结果表明:随着应力的增加,固体中原子之间的结合力逐渐减弱,晶格结构的稳定性变差;当应力达到临界屈服点时,固体发生相变,磁记忆信号产生突变,磁记忆效应减弱。理论计算结果与实验结果具有很好的一致性。     

X70管线钢金属磁记忆信号特征研究

针对铁磁构件表面磁记忆信号法向分量在裂纹或应力集中处存在过零点现象,很多学者对此有争议,通过线切割模拟裂纹,在拉伸试验机上拉伸管道构件,并分析管道构件表面漏磁信号法向分量,发现在裂纹处法向分量确实存在过零点现象,但是过零点随着拉伸栽荷的变化发生漂移,当载荷增加到一定程度过零点不再漂移.结果表明,不能单纯以法向分量过零点判断裂纹或应力集中处.     

铁磁性构件典型缺陷磁记忆信号特征研究

采用磁记忆技术研究了石化企业铁磁性构件典型缺陷（如裂纹、未焊透、错边、气孔、偏析等）的灵敏度和信号特征。结果表明：该技术在检测上述缺陷时有较高的灵敏度,磁信号特征与检测方向和缺陷主平面间相对夹角有关。当两者垂直时,法向磁场强度Hp （y）在缺陷正上方有过零点;当两者平行时,对称置于缺陷主平面两侧的通道的Hp （y）极性相反,且变化趋势相对。但不管夹角如何,磁记忆信号均在裂纹部位出现突变,不易引起漏检。在偏析严重区域,磁记忆信号沿检测位移出现波峰或波谷变化,这为检测铁磁性材料偏析严重部位提供了一种新的检测手段。     

焊接裂纹金属磁记忆信号特征研究的进展

反映焊接裂纹的金属磁记忆信号特征包括信号过零点位置、小波分析能量极大值点位置、傅立叶分析相位突变位置、区域信号的最大值与最小值差值、信号在检测方向上的梯度、信号在检测方向垂直方向上的梯度。以上6个信号特征通过金属磁记忆信号特征判断焊接裂纹的方法。可以描述焊接裂纹时的作用以及相互之间的关系。研究表明:过零点特征和小波分析极大值点位置特征是不可靠的,用其他4个特征来判断焊接裂纹得到的结论很可靠。未来需要建立用这4个特征来判断焊接裂纹的系统。     

基于GGA算法磁记忆检测模型的研究

磁记忆法可以对铁磁性材料应力集中区域进行有效的检测,但是,磁记忆现象产生的物理本质尚没有定论,无法实现定量化测量.为了研究磁记忆信号的定量变化规律,利用固体能带理论,建立了磁记忆检测模型,采用广义梯度(GGA)算法计算电子自旋条件下,外力场作用和掺杂作用对材料磁记忆特性的影响.研究结果表明:外力作用下,电子自旋态密度分布和晶体能带结构发生变化是磁记忆现象产生的基础.压应力增加,磁记忆信号线性增大;拉应力增加,磁记忆信号线性减小.此外,掺杂作用会影响材料的磁特性,但不会影响磁记忆信号的变化规律.     

不同倾斜角度角焊缝磁记忆信号定量特征研究

针对实际工程中角焊缝在设备结构中位置特殊、造成采用常规无损检测无法对其评价的难题,进行了角焊缝缺陷处磁记忆检测信号定量特征提取与建模。从三维地磁场下力磁耦合的角度,考虑焊接残余应力的基础上,对不同倾斜角度相交的管道角焊缝进行力磁耦合仿真,获得不同载荷下不同角度的角焊缝磁场分布规律,提取缺陷处切向和法向磁记忆特征参数,建立不同载荷下角焊缝缺陷处应力集中程度的定量表征模型。进一步考虑到理论建模与实际检测的差异性,设计磁记忆检测试验,用实测数据对模型进行修正,并对修正模型进行了验证,验证结果表明最大误差7.117%,为工程实际中对角焊缝这类复杂焊接结构的磁记忆定量检测提供科学依据。     

金属疲劳过程磁记忆信号多特征量提取研究

为明确铁磁构件疲劳过程磁记忆信号的变化规律,实现疲劳损伤的量化评估,选取带中心圆孔的Q235钢试件进行轴向拉伸疲劳试验,通过三维运动平台实现磁记忆信号的稳定连续采集,以小波变换为信号多尺度分析工具,对磁记忆信号进行降噪,并采用小波包进行磁记忆信号分解与重构,提取信号的小波包能量、奇异性指数作为特征量,得到了不同频带上相对能量分布和奇异性指数的变化规律,并将能量、奇异性指数与信号梯度峰值相结合,共同构成评估疲劳损伤的多特征量。试验结果表明:试件疲劳损伤过程中能量、奇异性指数和梯度峰值变化显著,随着循环次数的增加,低频段能量不断增加,高频段能量占总能量比例不断降低,总能量分布向低频段偏移,同时奇异性指数不断减小,而各阶段梯度峰值逐渐增加。通过能量、奇异性指数和梯度峰值的多特征量的研究可以弥补单一特征量存在的不足,研究结果可为金属构件疲劳损伤程度的评估提供技术支撑。     

基于ITD的齿轮磁记忆信号特征提取方法的研究

针对低速重载齿轮潜故障状态下磁记忆信号特征信息难以获取的问题,提出了一种基于固有时间尺度分解法(ITD)的磁记忆信号特征提取方法.首先利用ITD方法将原始磁记忆信号分解为若干固有旋转分量PRC和一个单调趋势项,然后将前四阶PRC分量重新组合重构,剔除磁记忆信号自身的大周期成分和磁场噪声,最后再利用周期平均和局部统计法提取出该齿轮每个齿根的磁信号强度.实验结果表明,该方法非常适用于信号有效成分的精确拾取和判断,能有效实现信号的特征提取,对低速重载齿轮潜故障早期诊断领域具有重要的应用价值.     

基于密度泛函理论的磁记忆信号产生机理研究

与传统的无损检测技术相比,金属磁记忆方法对铁磁材料早期损伤的诊断更为有效.为了研究磁记忆自发漏磁信号的产生机理,采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势算法建立了磁力学模型,在此基础上,通过计算晶格结构、原子磁矩、系统能量与力的定量变化关系来研究力对材料磁性能的影响,进而分析力与磁记忆自发漏磁信号的关系.研究结果表明:外部载荷作用导致晶格畸变是磁记忆信号产生的根本原因,并且流水静压力导致的晶格畸变比正压力导致的晶格畸变对自发漏磁信号的影响要大;常温下理论计算得到的磁记忆信号随压力增加而线性变化的规律与实验结果具有很好的一致性.     

漏磁信号增强算法研究

对漏磁信号进行增强处理以提高其信噪比是实现漏磁数据智能分析的重要前提。漏磁信号中同时包含低频和高频噪声,直接进行处理往往会产生较高的错误率。从无限长矩形凹槽的磁偶极子模型中发现,漏磁场的切向分量和法向分量的原函数和一阶导数具有较强的交叉相关性。于是,利用这种交叉相关性,提出将漏磁场磁感应强度切向分量和法向分量融合的漏磁信号增强算法,对检测目标位置的信号进行增强,同时对其余位置的噪声进行抑制,从而提高漏磁信号的信噪比。利用牵拉实验数据和在役管道漏磁内检测数据对算法进行了初步验证和推广。最后,从在役管道漏磁内检测数据中收集了若干样本,并提出适合于漏磁信号的信号质量评估方法,对所提增强算法进行量化评估。实验结果显示,几乎所有样本的信号质量均得到了提高,大多数样本得到了不小于10 dB的提高。     

基于奇异值分解的磁记忆信号特征提取方法

针对金属磁记忆信号容易受到环境噪声影响,使得缺陷信号可检测性降低的情况,首先,利用传统的奇异值分解方法对场桥主梁磁记忆信号进行分解和重构,发现尽管可以取得较为理想的降噪效果,但如何自适应确定重构时的奇异值个数仍存在困难;然后,将磁记忆信号按照二进递推方法构造矩阵,重复进行奇异值分解可以获得具有不同分辨率的近似信号和细节信号,从而形成多分辨奇异值分解,其中细节信号对应磁记忆中的噪声成分,近似信号为去除噪声之后的有效磁记忆信号,从而实现了磁记忆信号的降噪。将该方法用于某场桥主梁磁记忆信号的处理,有效地提高了重构信号的信噪比,准确地判断出了该主梁的应力集中区域,为评估其应力状态和早期故障诊断奠定了基础。     

压力容器封头处磁记忆信号特征分析

采用金属磁记忆检测方法对CNG储气瓶和乙炔气瓶的封头及筒体处进行检测,发现对应应力集中状态的磁信号有异常变化。用有限元分析软件Ansys对两种不同形式的封头及其与筒体的连接部位进行应力仿真分析。考察了磁信号的变化特征与有限元分析应力间的关系,为磁记忆的定量研究提出一个有效的方法。     

基于反距离加权法的磁记忆信号插值及力—磁效应研究

铁磁性材料是石化工业中重要受力部件的组成材料,石化管道逐渐日益高压输送的趋势对其安全性检测提出了更高的要求。金属磁记忆检测方法 （MMM）是一种灵敏便捷的无损检测技术,为使磁记忆检测技术在管件早期缺陷快速检测中广泛应用,需对石化管件材料的磁记忆信号特征进行进一步的研究。通过反距离加权法对四条平行路径上采集的磁记忆信号进行空间插值,将一维磁记忆信号拓展到三维空间,从而以曲面的偏导及全导的形式将传统的磁记忆信号的特征参量演化为空间域的磁记忆信号特征值。为石化管道早期缺陷的快速识别做出了铺垫性研究,对磁记忆检测技术在管道内检测领域的应用具有参考性价值。     

裂纹失稳扩展临界状态的磁记忆特征研究

针对实际工程中裂纹失稳扩展临界特征提取的难题,从一个新的角度引入金属磁记忆技术,通过Q345钢标准三点弯曲试验,获取裂纹稳态扩展到失稳扩展整个演化过程的磁记忆信号变化规律,提取裂纹临界失稳扩展时的磁记忆特征。结果表明,当裂纹处于失稳扩展的临界状态时,磁记忆信号梯度值发生显著跳跃上扬,最大值是稳态扩展的2倍以上,失稳特征显著,磁记忆正交矢量合成梯度G_(vs)的临界特征,真实反映了裂纹临界失稳扩展时应力强度因子K的临界特征。首次建立了磁记忆特征参数G_(vs)与裂纹尖端应力强度因子K之间的数学模型,验证试验结果表明误差为7.9%,为实际工程中利用磁记忆参数特征判定裂纹失稳扩展临界状态提供一种新的思路。     

承压管道磁记忆检测缺陷信号量化数值研究

利用Ansys数值模拟软件,对含埋藏缺陷的承压管道进行磁记忆检测有限元模拟,分析磁记忆信号值在不同缺陷参数、不同应力状态下的变化规律.结果表明,磁记忆信号可以对管道埋藏型裂纹及气孔产生的应力集中进行表征,随着缺陷埋深的减小与内压载荷的增加,磁记忆信号变化幅度增大,法向梯度极值增加.通过法向和切向信号协同分析,可以实现对...     

基于金属磁记忆信号垂向特征分析的损伤状态识别

金属磁记忆是一种可对铁磁材料早期微观损伤进行有效诊断的无损检测技术。为消除磁记忆信号不确定影响因素,提高损伤状态识别的准确率,引入了磁梯度张量和磁场垂向特征分析方法。首先,利用磁梯度张量测量方法获取磁场完整的变化信息,为克服检测方向选取对检测信号的影响,利用磁场不变特征量-总梯度模量来判断损伤及损伤区的边界位置;然后,通过测量不同高度下总梯度模量的平面分布,得到总梯度模量的垂向分布特征;最后,分析了不同损伤的边界处总梯度模量的垂向分布特征差异。理论分析和实验结果表明,在提离高度逐渐增大过程中,裂纹边界处的磁梯度张量振幅的衰减速度和幅度远大于应力集中作用的结果,根据磁记忆信号的垂向特征,可有效地识别损伤状态。