应力对铁磁性材料缺陷及检测影响的研究论文

应力对铁磁性材料缺陷及检测影响的研究论文应力对铁磁性材料缺陷及检测影响的研究论文 应力对铁磁性材料缺陷及检测影响的研究二零零二年研究生侯维娜 指导教师储浚摘要随着各种铁磁性材料和器件的广泛应用 提高了 对铁磁性材料检测的要求 在役铁磁性构件必定处在一定的力学条件下 这会产生应力集中现 象 在应力的作用下 会对检测对象的电磁特性产生影响 特别是压磁 效应对磁特性的影响 使磁导率不再是一个常数 而是随着内应力 的分布而变化 这必然对涡流检测与漏磁检测产生影响 本文主要研究存在应力集中的铁磁性材料中 由于应力集中的存在 导致铁磁性材料电磁特性变化对漏磁场检测的影响 首先根据D C Jiles和D L Atherton理论确定应力与磁导率之间 的对应关系 然后利用有限元计算方法 利用ANSYS有限元计算软件 建立各种几何模型 求解在应力和外加磁场作用影响下 引起铁 磁性材料磁特性变化 研究该变化对漏磁场的影响 并在此结果的 基础上提出一种利用漏磁法检测应力的新方法 在本文研究的模型中的计算表明漏磁场的x轴向分量B 斜率变化的点判断应力集中区域沿x轴方向上的边界 磁感应强度的 Y轴方向的分量口 随应力的变化不大 磁感应强度的x轴方向的分量B 的变化 随着 应力集中区深度的增加而不断增加 随着外磁场的增加而不断的增 加 在外磁场小于0 7特斯拉时 B 随应力近似线性减小 在外磁场大于0 7特斯拉时 曰 随应力近似分段线性增加 因此 用漏磁场方法检测应力是可行的 并且当应力集中区深度增 加时或提高外加磁场 应力分辨率会提高 检测会更容易进行 关键词应力集中D C Jiles和D L Atherton理论有限元方法ANSY S计算软件漏磁场Effects ofStress Ontheferromagicmaterial DefectandTestingStudentHOll WeinaTutorChu JunDepartmentofappliedphysics UniversityofPetrolum ChinaAb stractFerromagic materialhas beenapplied wideH and itimproves thetestingonferromagicmateriaLThere musthave stress centralization intheferromagiomponent and magicproperties for example bysteresis loops coercive field remnant magne血ation permeability andsoon will alterwhen stressexists In thiswork the effectof stresscentralizationin theferromagic materialon theflux leakage testinghavebeenstudied The firstwork iscalculatingthe relationshipof stressandpermeability onthe basisof D C Jiles And D L Atherton theory Thesecond work isutilizing ANSYS0arge scalefinite element methodsoftware formed geometricalmodels And thensolution theeffect onthefiux leakageon thecondition ofexternalmagicfield andstresscentralization The lastworkisadvancing amethod oftestingstress ontheground ofthoseresults It canconclude somedisciplinarians 1 Judgetheboundary ofstresscentralizationby theslope changeof最 the magicinductionintensionalong Xaxis 2 The changeof By the magicinductionintension alongYaxis is verysmall when stresschange 3 Thechange of丑 will increase when thedepth ofstresscentralization isincreasingorthe externmagic fieldisincreasing 4 The changeofBwiththe stressis linearity whenB伸agicfield n7T andthe changeissmallwhenB 07TKeyword stresscentralization D C Jiles andD L Atherton theoriesfiniteelementmethodANSYSputesoftwaremagic leakage独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得石油大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意 签名7哆年争月 曰关于论文使用授权的说明本人完全了解石油大学 有关保留 使用学位论文的规定 即学校有权保留送交论文的复印 件及电子版 允许论文被查阅和借阅 学校可以公布论文的全部或 部分内容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 保密论文在解密后应遵守此规定 学生签名盘塞幺l立眸奶年争月 日导师签名j逢z芟印司年r月蔷日石油大学 华东 硕士论文第一章前 言第一章前言1 1该论文的目的和意义无损检测 NDT 是采用不破坏 被测试件的方法对材料产品或正在使用的工件的性能进行检测和评 估以提高产品的质量 保证工件的安全性能 其基本原理可概括为利用某种形式的能量与被检测对象进行交互作 用 得到作用信号来指示产品或工件的性能 缺陷或损伤 根据能量形式的不同可以分为超声无损检测 涡流无损检测 漏磁 无损检测 射线无损检测 磁粉无损检测 渗透检测及其他方法 前几种方法使用方便 精度高 范围广 电磁无损检测方法则基于电磁能量与被测零部件交互作用产生的现 象或信号进行检测 电磁检测方法检测材料表面具有检测灵敏度高 广泛的应用于工业 生产与科学研究中 是无损检测技术的一个重要分支 近年来随着 电子技术 尤其是计算机技术的发展 电磁无损检测的方法研究和 仪器设备得到了长足进展 铁磁学研究和铁磁性材料的研究与生产不断的发展 在理论和应用 方面都取得了很多成果 各种铁磁性材料和器件的广泛应用于科学研究 工农业生产 国防 医疗卫生 交通运输和日常生活各个方面 这对铁磁性材料的检测应用也变得极为广泛 在铁磁构件加工过程中 冷作硬化较激烈的地方会发生颈变 位错 滑移 严重的情况下会引起微小裂纹 这将形成铁磁性构件损坏的 发源点或应力集中区 在役铁磁性构件也必定处在一定的力学条件下 这些都会产生应力 集中现象 在应力的作用下 会对检钡0对象的电磁特性产生影响 特别是压磁 效应对磁特性的影响 使磁导率不在是一个常数 而是随着内应力 的分布而变化 这必然对涡流检测与漏磁检测产生影响 近年来科学家还根据应力 对铁磁性材料的影响提出金属磁记忆检测方法 研究应力铁磁性材料涡流检测与漏磁检测的影响 对以往的涡流检 测与漏磁检测结果进行修正 对提高涡流检测与漏磁检测的精确度 更精确的重构缺陷 判断缺陷的形状 位置的参数有重大意义 这会对需要知道缺陷尺寸大小的断裂力学 损伤力学 疲劳 损伤 容限设计产生重要影响 石油大学 华东 硕士论文第一章前言提高 其实际应用价值 研究应力作用下的铁磁性材料磁特性对漏磁检测的影响 提出一种 检测应力的方法 对材料进行无损评估具有很大的应用价值 随着锅炉 压力容器 管道 铁路以及桥梁等特种设备广泛应用 且现代工业生产日益向高速 高温 高载方向发展 由此引起各种 应力集中导致疲劳失效产生多种微观内部缺陷 并逐渐演变成宏观 裂纹 甚至断裂 这会引起恶性事件 这些设备的安全直接影响国家经济的正常运行和人民的生命财产安 全 具有重大的社会效益和经济效益 因此 研究应力对铁磁性材料的缺陷及检测的影响具有重大意义 1 2国内外的进展及现状目前对金属构件缺陷进行检测的检测方法 主要采用漏磁检测 涡流检测 超声检测 磁粉检测 射线检测 渗透检测等常规无损检测方法 科学工作者利用残余应力对x射线散射实验 中子散射实验的影响 提出了X射线散射 中子散射方法检测应力 利用铁磁性材料在残余 应力的影响下产生的巴克豪森效应 磁声发射效应来检测应力 所有的这些工作都是建立在实验的基础之上的 利用已知的实验数 据 进行曲线标定 近而进行残余应力的检测 但是 在理论上阐述应力对检测影响的工作做的比较少 应力对铁磁性材料对漏磁检测的影响的理论工作做得更少 几乎是 个空白点 本论文主要研究存在应力集中的铁磁性材料中 由于应力集中的存 在导致铁磁性材料电磁特性变化 根据D C Jiles和D L Athert on理论确定应力与磁导率之间的对应关系 利用有限元计算方法 建立各种几何模型 用ANSYS有限元计算软件求解在应力和外加磁场 的影响下 由于铁磁性材料磁特性变化的影响 特别是应力作用对 漏磁场的影响 在此结栗的基础上提出一种利用漏磁法检测应力的 新方法 这对提高无损检测方法准确度 检测应力 进行疲劳分析 有效地 评价应力变形 特别是导致损伤的临界应力应变状况 对这些设备 进行工作安全性和寿命评价 防止事故发生 提高生产的安全性有 重大意义 石油大学 华东 硕士论文第一章前言在本论文第二章从涡流检测 漏磁检测 磁记忆检测的基本原理出发综述了目前电磁无损检测的 现状及进展 其中最主要的是论述了涡流检测的现状及进展 在该部分中首先它 论述了涡流检测中的激励电场由传统的单频检测发展到目前的多参 数 多通道 多频率检测 以及最新由谭明娟等人把传递函数理论 引入到涡流无损检测中发展成为频带的涡流检测 在此发展过程中 提过了检测效率和信噪比 接着论述根据涡流检测场点 检测线圈 距源点 激励线圈 距离的远近把涡流检测分为近场检测与远场检测 分别说明了二者的定义以及各自检测的优点然后从目前在涡流检 测主要应用的分析物理量 即从基于阻抗分析涡流无损检测技术和 基于场量分析涡流无损检测技术方面讲述了涡流无损检测的进展 最后综合论述了电磁无损检测中数据处理方法 即模糊理论方法 人工神经网络方法 小波变换方法 以及无损检测中数值计算方法 即有限差分计算方法 边界元计算方法 有限元数值计算方法 从本章的论述中 笔者发现目前应用电磁无损检测方法检测材料内 部应力这一课题还处于起步阶段 没有什么资料和经验可以借鉴 只能靠自己不断的摸索前进 这增加了本论文的新意和难度 本论文中心问题是从理论上计算由于铁磁性材料内部应力集中的存 在 从而导致空间漏磁场的变化情况 并从这些结果中总结铁礅陛 材料内部应力的大小与周围空间漏磁场大小之间的对应关系的规律 性 根据这些规律提出一种用漏磁检钡4方法检钡4铁磁性材料中内 应力的方法 因此 在第三章中论述了应力对铁磁性材料的影响机制及计算方法 来求解在铁磁性材料内部应力集中区域的材料属性 删曲线 确定应力与磁导率之间的对应关系 以便在ANSYS有限元计 算软件中添加材料属性 计算铁磁性材料内部应力对周围空间漏磁 场的影响 在本章首先从磁致伸缩能量理论定性的论述了应力对铁磁性材料的 影响机制 发现在均匀应力作用下 在各向同性磁致伸缩材料中 对于磁致伸缩为正的材料而言 施加张力 拉力 将使材料的磁化强 度沿着张力的方向 使磁化强度增加 施加压力将使材料的磁化强 度垂直于压力的方向 使磁化强度减小 磁致伸缩为负时 3石油大 学 华东 硕士论文第一章前言外应力的作用效果与磁致伸缩为正时 相反 因此 在应力的作用下会引起磁化强度矢量方向的转动 使 材料中的磁化强度不为零 材料被磁化 由此必将引起材料中一系列磁特性 磁滞回线 矫顽力 剩磁 磁导 率等 在外应力的作用下把生变化 接着论述了从朗之万理论发展起来的D c Jiles和D LAtherton理 论 得到了在应力所用下计算铁磁性材料磁化曲线的微分方程式 代入参数用龙格一库塔法方法或迭代方法求解该微分方程 即可得 到ANSYS所要求的标识铁磁性材料材料属性的磁化曲线 在第四章中用有限元计算软件ANSYS计算了铁磁性材料中应力集中区 域周围空间的漏磁场分布 在本章中首先给出了有限元分析的几何模型 物理模型等问题的描 述 并给出了一个具体的ANSYS分析过程创建几何模型 定义材料属 性 定义单元类型 单元剖分 划分网格 加载外磁场 边界条件 进入求解器求解有限元方程以及ANSYS结果后处理 接着对有限元计算结果进行了必要的分析 绘出各种图形和列出表 格 在分析过程中 我们发现有限元分析过程中磁感应强度沿Y轴方向分 量随应力的变化 虽然随着磁场的增加而增大 但是 即使在外磁 场等于1 5特斯拉时 这种变化仍然不明显 很难加以区分 所以 在本论文中主要讨论 磁感应强度沿X轴方向的分量随应力的变化情 况 通过分析计算结果我们得出如下结论 1 在外加磁场B0 7T时 虽然总体来说 此时在有限元分析中 检测点P处 磁感应强度的x轴方向的分量日 随应力的变化不在是线性变化 但 以外应力为零处 把曲线分成两部分 不管是外应力小于零的部分 还是外应力大于零的部分 都近似是线性变化 2 随着外加磁场的增加 检测点P处的磁感应强度的X轴方向的分量 也在不断的增加 在外加磁感应强度B O 6T时检测点P处的磁感应强度的x轴方向的分 量随外加磁场变化的曲线可以看作呈线性变化 3 随着应力集中区域深度的不断增加 检测点P点处的磁感应强度 的X轴方向的分量的大小4石油大学 华东 硕士论文第一章前言随应 力的变化不断的增大 应力集中区域在不同长度的模型中 随着区 域变窄B 的大小随深度的变化越小 4 随着外加磁场的增加 检测点P处的磁感应强度的x轴方向的分量 的大小随应力的变化不断的增大 5 几何模型长度变化引起的最明显的变化是磁感应强度斜率沿坐标 位置出现明显变化的点的坐标位置的变化 或者说应力集中区沿x轴 方向大小变化 引起也斜率变化的点对应于应力集中区域沿x轴方向 的边界 由此可以判断应力集中区域沿X轴方向上的边界 简单来说 就是根据也斜率变化的点判断应力集中区域沿x轴方向上 的边界 磁感应强度的Y轴方向的分量随应力的变化不大 磁感应强 度的X轴方向的分量的变化 随着应力集中区深度的增加 随着外磁 场的增加而不断的增加 在外磁场小于0 7特斯拉时 只随应力近 似线性减小 在外磁场大于0 7特斯拉时 B随应力近似分段线性增 加 因此 用漏磁场方法检测应力是可行的 并且当应力集中区深度增 加时或提高外加磁场 应力分辨率会提高 检测会更容易进行 石油大学 华东 硕士论文第二章电磁无损检测的现状及新进展第二 章电磁无损检测的现状及新进展2 1涡流检测2 1 1涡流检测原理 p 玎涡流检测是基于电磁感应理论提出的检测方法 图2 1为涡流检测的原理图圄2 1涡流检 铡原理图通有交变电流的激励线圈感生出一个交变磁场丑 当激励线圈靠近被测物体的表面时 就会在被测物体近表面感 生出磁场日 又反作用于激励线圈所建立的磁场日 导致激励线圈阻抗或电压 的发生变化 当被测物中存在缺陷时 它引起电磁场分布的变化 这些信息同样 会反映在激励线圈的阻抗和电压的变化上 因此 分析激励线圈阻抗和电压的变化 会得到缺陷的形状 大小 位置的信息 从而达到识别缺陷的目的 涡流法 Eddy currentnondestructive testing ENDT 可以广泛的应用于各种金属材料和少数非金属材料工 件 和其它方法相比有其独特的优点 1 涡流检测对导电材料的表面或近表面材料缺陷的检测有良好的灵 敏度 2 涡流检测适用范围广 能对导电材料的缺陷和其他因素的影响提 供检测信号 3 涡流检测不需要偶合剂和特殊的清洁处理 4 涡流检测是一种多用途的检测方法 可以进行电导率 磁导率 表面或近表面缺陷的深度的测量 以及进行材质分选 测厚等 5 涡流检测在检测时 线圈不需要接触工件 对管 棒 线材的检 测易于实现高速 高效的自动化检测 6 涡流检测能在高温状态下进行探伤 对对矩形 三角形 带筋的 异型及薄壁管材也能进行探伤 为其它检测方法所不能及 所以 涡流检测是无损检测技术中具有重要意义的一种方法 2 1 2涡流无损检测的概况及进展石油大学 华东 硕士论文第二章电磁 无损检测的现状及新进展早在70年代之前 电磁无损检测的研究主 要建立在实验研究和经验的基础之上 只能进行定性判断 70年代以后把电测场计算技术 有限元 边界元 等效源法 并矢格 林函数法 逐渐引入到电磁无损检测问题的分析与研究中来 使得这 项技术从定性判断发展到定量分析 涡流无损检测技术是目前管道检测中应用广泛的检测方法 根据其探头结构和检测对象不同可以分为常规涡流检测 透射式涡 流检测和远场涡流检测 深层涡流检测 常规涡流检测由于受趋肤效应的影响 只适用于检测样品表面或亚 表面缺陷 透射式涡流检测克服上述缺点 其检测信号相对于管的内壁和管外 壁具有相同的灵敏度 远场涡流检测实质上是透射式涡流检测 其不同点在于远场涡流检 测中 激励线圈的能量两次穿过管壁到达接收线圈 2 1 2 1涡流检测中的激励电场目前 大多数涡流检测都使用单 频正弦交流电作为激励电场 丹它做激励电场时 由于趋肤效应 当交变磁场垂直透入导体时 导体感应出的 涡流密度随着距表愿深度的增加呈指数规律衰减 渗透深度占 随q刁弘p着激励电流频率的提高而下降 以 材料的相对磁导率 盯 材料的电导率 一检测频率 所以 用单频正弦激励电场适用于表面或近表面缺陷的检测 为了 达到一定的检测效果和不同类型的缺陷 如形状和深度 对不同性 质的材料 如不同电导率 必须考虑最佳缺陷检测频率的问题 而且 对于存在于表面深度以下的缺陷就无能为力了 再加上信噪比难以 提高 这限制了涡流检测的发展 香农定理指出一个信号所传输的信息量同信号的频带宽度以及信噪 比的对数呈正比 用公式表示为c Wtog加寺 2 1 其中c 叶言息的传输率 6 矽 频带的宽度 信噪比 2 1 式表明 在信息的传输过程中 使用频率的个数越多 即频带越 石油大学 华东 硕士论文第二章电磁无损检测的现状及新进展宽 获取的信息量越大 为了克服单频正弦激励电场的诸多困难 人们做了以下尝试 1 多频涡流检测倒多频检测技术是建立在计算机处理 阻抗平面分 析 信号转换处理信息传输理论中以及相关的电子线路的基础之上 的 实现了多参数的检测 根据所需检测的参数 缺陷的位置 形状参数 渡层的厚度等 和所 要排除的干扰信号 适当选取多个频率组合电流去激励检测线圈 然后对受作用参数调制的输出信号按多个检测通道加以放大 分别 进行解调 并把解调信号的各个分量以指定的方式组合起来 综合 分析处理 其电路原理如2 2图所示工件多频涡流法每一个检测通道都是所有影响参数作用的结 果 对于n个作用参数 严格的说 要求有n个或2 个独立的检测通道 以便能将所有的参数分离 使每一个通道表示一个参数 该技术在大亚湾核电站冷凝器管道检测中取得巨大成功 2 频带涡流检测p7谭明娟等人把传递函数理论引入到涡流无损检测 中 将涡流检测系统看成是一个线性时不变系统 用传递函数描述 该系统的特征 这个传递函数被定义为被测材料的频率特性 可以描述为在宽频信 号激励下 由被测材料引起的电压 电流或其它电磁参数沿激励信 号的频率轴连续分布 石油大学 华东 硕士论文第二章电磁无损检测的现状及新进展图2 3 a 是典型的涡流检钡4系统 其中e缈为给定的激励信号 o 0为接 收信号 Ef叫为激励信号的频率特性 0向 为接收信号的频率特性 则E0 e Oe J dt00 P 出 2 2 若定义该测试系统的传递函数为日0 发射探头的传递函数为r0 接收探头的传递函数为R0 被测材料的传递函数为x 如图2 3 b 图所示 则系统的传递函数 激励信号和接收信号之间存在如下关系式p俐 E 0归 D俐 E如弦如这p沁 H0 丁0Fp皿如 2 3 ta 些牦垂i亘夏瓯垂辞型图2 3矗垒涡流检测系统理论表明E 矽 j时 分析接收信号的频率特性D 白 可以直接获得被测材料特性 ifi阻抗分析方法是传递函数方 法的特例 实验表明 该方法使检测对象和检测范围大幅度增加 能有效区分 缺陷和提离 使信噪比大大提高 2 1 2 2涡流检测中感应电场15 61根据涡流检测场点 检测线圈 距源点 激励线圈 距离的远近可把感应场分为三个区域近场区 过 渡区 远场区 在近场区 电磁场的幅值迅速下降 且不随频率变化 远场区幅度 下降很小 频率越高幅度越小近场区与远场区之间的区域为过渡区 在过渡区相位变化很大 一般的涡流检测检测线圈与激励线圈距离比较近 属于近场区 而在过渡区由于信号随距离变化快 不稳定 研究较少 近年来 随着管道检测发展 利用远场区域检测方法 越来越引起 人们的重视 相对于近场区它有以下特性9石油大学 华东 硕士论文第二章电磁无 损检测的现状及新进展在远场区磁场衰变率较近场小的多 而相位 的变化差不多与缺陷深度成正比例关系 在远场涡流检测时 管子 内外壁信号几乎相同 频率升高时 缺陷信号幅度减小 相位则在 某一频率上达到最大值 因此 远场涡流检测技术是一种有效的管在役检测技术 已成功的 应用于热交换蒸汽管 制冷管等非磁性管在役检测 2 1 2 3数据分析物理量 1 基于阻抗分析涡流无损检澳j技术刃阻抗分析法是根据电磁场基 本规律 把测量线圈和被测物体的相互作用 看成类似于两线圈之 间的耦合 被钡4物由一个自感为厶和阻抗为R 的线圈代替 探头和被测物耦 合程度由互感M表示 图2 4为涡流检测的等效电路图圈2 4涡流检测的等效电路根据等效电路 按基尔霍夫定律列出等效电路 方程为j R JI jcaL jIj j彬2 2 4 一jcoMII R212 j融L212 0解方程组可得线圈的阻抗为z 卜 剖巾卜 嵩IQ s 由等效阻抗表达式 2 5 可知 等效自感系数上和阻抗R 都随检测频率 变化 从而阻抗 Z的实部和虚部随检澳4频率 变化 这样阻抗z的复角和幅值随检测 频率国变化 所以 在检测中应选择最佳检测频率 当测量线圈和 被测物体距离增加时 两线圈的耦合程度下降 互感M变小 阻抗值 随之变化 从而造成 提离效应 所以 在检测中应根据目的利 用或抑帝4提离效应 当被测物中存在缺陷时 缺陷部分的电导率和 磁导率都与被测物的电导率和磁导率不同 引起等效自感系数为 和阻抗为见变i0石油大学 华东 硕士论文第二章电磁无损检测的 现状及新进展化 这些信息会反映就在线圈的阻抗z上 因此 可以分析线圈阻抗的变化 会得到缺陷的形状 大小 位置 的信息 从而达到识别缺陷的目的 2 基于场量分析涡流无损检测技术P 基于阻抗分析涡流检测技术 中的阻抗变化值 是扰动磁场在检测线圈体积内的积分效果 无法 揭示缺陷产生的扰动磁场分布情况 随着技术和生产的发展 越来越多的需要检测尺度小于1ram的微小 裂纹 为了获得较大的空间分辨能力和检测灵敏度 要求涡流探头 具有很小的体积 提出了基于场量分析的涡流检测技术 图2 5所示给出该问题的基本描述图2 5涡沉无损检测问题基本描述根据电磁场基本定理 当不存在缺陷时 在r y 区域的控制方程为V 謦2吒点 2 6 V Eic 一jcoBk在空气域圪中的控制方程为弧量 2 7 V E o 一jcoBj 当存在缺陷时 在K区域的控制方程为V I2盯c 2 8 V 也 一jcoB 在空气域吒中的控制方程为乳譬m一 2 9 V E 一jcoBo在 删槲娑二骆 2 10 石油大学 华东 硕士论文第 章电磁无损检测的现状及新进展 其 中 B H E是电磁场中的基本物理量磁感应强度 磁场强度 电场 强度 它们都是位置矢量r的函数 下标a 啦分别表示在空气域 导体域 缺陷域中 若定义局和日为有缺陷和无缺陷时的差 扰动场 即 玩一玩r 一 E Ek E k ct c f E 和B 为无缺陷时的场 完好场 这样涡流无损检测基本问题 分解成求解 完好场和缺陷场两部分 理论和实践表明扰动磁场能够反映阻抗法无法揭示的细节信息 它 将成为切实可行的涡流检测技术 2 2磁记忆检测I 9 tot早在1957年俄罗斯科学家杜波夫就发现磁 性材料在产生几何不连续或应力 变形集中时出现磁性改变的现象 经过20多年的研究和开发 金属磁记忆检测技术已经成为较为成熟 的特种无损检测方法 并开发出了专门的检测仪器和与之相配套的 软件 建立了相应的应力 变形集中区的判定准则和十几个针对不 同监测对象的技术标准 金属磁记忆检测法利用处于地球磁场中的铁磁性构件的磁特性在应 力和变形集中区内产生不可逆变化 在金属 空气边界上出现磁导 率跃变 构件表面产生漏磁场 通过检测该漏磁场便可无损 快速 便捷 准确地确定铁磁性构件 上的应力及变形集中区 即设备上最危险的区域和部位 进行强度 和寿命的诊断 该技术弥补了传统无损检测方法的不足 具有以下显著特点 1 能以高准确度确定检测对象上以应力 变形集中区为标志的最危 险区域 可以通过早期诊断较为准确的评价设备的安全性 2 对设备外露部分的检测无需设备停止工作 3 无需对被检测对象表面进行去除涂层 打磨等预处理 降低成本 4 原理可靠 特征信号明显 去除人为因素 结果准确性高 5 能够实现快速检测 100米 小时 和检测自动化 以便对设备进 行100 快速扫查 提高效率 避免漏检 6 利用地球磁场 无需专门的磁化装置 从而使检测设备体积小 重量轻 石油大学 华东 硕士论文第二章电磁无损检测的现状及新 进展成本低 同时能改善劳动条件 降低劳动强度 利用金属磁记忆法对设备进行全面 快速地扫查 找出应力及变形 集中区 再用传统的无损检钡4方法确定具体缺陷的存在 这样可充 分发挥二者的长处 优势 辞h 磁记忆检测基本原理如下处于地球磁场中的铁制工件在运行时 受 拉伸 挤压 扭曲和周期性变化负载等工作载荷和地球磁场的共同 作用 在应力及变形集中区域会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织 定向和不可逆的重新取向 这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消 除后不仅会保留 而且其残余磁化强度及被测工件表面的漏磁场lI 单一的与最大作用应力有关 表现为在缺陷位置和内应力相对集中的地方 金属磁导率最小 其 漏磁场的切向分量H x 具有最大值 而法向分量llp y N改变符号且过零点 对工件表面漏磁场的法向分量进行扫描检测 便可确定应力集中区 域 从而间接地判断该铁磁性工件存在缺陷的可能性 传统NDT检测技术 超声 射线 涡流 磁粉 渗透等 只能检测出已 经存在的缺陷 不能解决在役设备出现意外疲劳损伤的问题 而金 属磁记忆诊断技术能够实现对金属构件早期损伤的诊断 如图2 6所示 磁记忆检测原理可以又拉伸试验得到验证 钢制拉伸试件安装在拉力试验机上 测量试件表面沿轴线漏磁场I IpCy 的分布 如图2 7 a 所示 其中Hp o处为应力集中线 此后 对试样加上和应力 集中线垂直的载荷P再做拉力试验 从图2 7 b 可见 该试样的断裂出现在应力集中线处 I Ipdy瑚a图2 6磁记忆检测原理图图2 7 b 工件拉伸试验石油大学 华东 硕士论文第二章电磁无损检测的 现状及新进展2 3漏磁检测漏磁检测是基于铁磁材料磁性变化提出 的一种无损检测方法 图2 8是漏磁检测的原理图铁磁性部件在外部强磁场的作用下 被磁化到 饱和磁化状态或接近饱和磁化状态时 因缺陷的磁导率低 在有缺 陷的地方会发现磁力线向不见的外部泄漏 漏磁检测技术就是利用 这一现象进行无损检测或无损探伤的 其检测机理是缺陷在强磁场 的作用下 被动的产生磁泄漏 从而让磁敏元件方便检测漏磁场 进而根据漏磁进而根据漏磁场的信息判断缺陷的位置大小和磁敏器 件图2 8漏磁检测的原理图2 4电磁无损检测中数据处理方法无论是哪一种 检测方法 在测量过程中总会有这样或那样的干扰 测量中获得的 信号就总是不可避免的含有噪声 因此 在含干扰信号的海洋里有效的提取出有用信号 这不仅与信 号的形式和干扰的性质有关 也与信号处理的方法有关 对于不同 类型的信号寻找最佳的处理技术一直是信号处理和检测主要研讨的 问题 传统的方法之一是广泛的使用频谱分析技术 它利用傅立叶变换把信号映射到频域内加以分析 随着科学技术的发展 模糊理论 人工神经网络 小波变换引起了 人们的关注 2 4 1模糊理论方法p 断裂力学在工程中的应用 首先必须准确知道结构材料中的缺陷 尺寸 但是由于检i91ll中存在着模糊不确定性 模糊不确定性是造成无法准确测结构材料中缺陷尺寸的主要原因 导致缺陷真实尺寸与检测尺寸之间存在较大误差 这种不确定性即 使检测仪器校准后 对缺陷尺寸进行多次重复独立检测 其平均检 测值与缺陷的真实尺寸并不相等 它会对需要知道14石油大学 华东 硕士论文 第二章电磁无损检测 的现状及新进展缺陷尺寸大小的断裂力学 损伤力学 疲劳 损伤 容限设计等在工程中的应用产生影响 为此 人们提出了模糊理论 以下是它的理论基础 设缺陷所在论 域为 W 含有限个元素w W 一W 4f砂 A陋 x 是论域W中的缺陷模式 其中工 一是缺陷的第i个特性指标 又设爿 是由N个体性指标组成的第f个缺陷的模糊子集 根据模糊子集表示方法 有AI AIk w x 2 w2 h w 其中x w 是论域中元素W 所对应的隶属度则在论域中的标准模糊子集 为Al AjbI w xt2 wz t w 47 A2G2 wj x w2 x2n w A 4 G wl 靠2 吒 x肋 w 2 12 缺陷的模糊二产集为A 4 以 以m w Xkm 有标准缺陷样本集时 采用函数逼近方法研究隶属度 如果没有标 准缺陷样本集时 采用聚类分析方法研究隶属度问题 经过多年的努力 建立了无损检测的模糊理论 提出了缺陷尺寸与 检测尺寸之间的数学关系式 得到了在指定检测尺寸下的缺陷真实 尺寸分布规律 模糊区间 以及缺陷尺寸的模糊表征方法 构造隶 属函数 用该理论对不同检测人员和不同探伤仪器对同一缺陷进行检钡4得到 的各不相同的缺陷尺寸进行有机的数据融合 从而解决了无损检测 对材料缺陷进行有效的定量分析这一难题 并为建立模糊寿命预测 模糊断裂准则 模糊损伤容限设计 压力容器的模糊评定等新的 理论和方法奠定了基础 2 4 2人工神经网络方法口 人工神经网络 Artificial NeuralNetworks简称ANN 是模仿生物神经元细胞传递信息方式的一 种计算机软件 硬件技术 是一种人工智能技术的信息处理系统 它把生物神经元的结构及动作抽象为数理模型的神经元 每个神经 元只能完成简单的数学运算 然而 把这些简单的神经元高度并联 串联形成网络后 却能完成复杂的运算功能 并具有某些智能功1 5石油大学 华东 硕士论文第二章电磁无损检测的现状及新进展能 它具有大规模的并行结构 信息分布式存储和并行处理 因此 具 有良好的自适应性 自组织性和容错性 具有较强的学习 记忆和 联想 识别功能 根据神经元的连接形式不同 其结构模型由100多种 以前向网络及 误差反传算法 简称BP算法 为例 这种结构的特点是信息前向传播 误差反向传播修正 前向网络一般由输入层 隐含层 输出层构成 每一层包含若干个 神经元 第七层中第 个神经元的输入输出关系 一 yjj f 晓域 y j e j 1 2 Nkk 1 2 一Mt2一n1Jt 其中簖叫一第 一堤中第f 个神经元到第女层筋个神经元的连接强度护 一对应神经元的闽值 神经元的传递函数 帆 第k层的神经元数目 M一总层数信息前向传播的数学表示如下隐层 单个神经元的净输入 矿 一十 2一14 输出D f jJ 2 15 输出单个神经元的净输入In W Xs 2 16 输出Dm f以J 2 17 误差反向修正的数学表示如下隐含层与输出层间权值修正w 8 wq t一1 4 瑚 j t 2 18 硎 t a6qoi I 8蝴w 一1 2 19 6 fj Im D 一oJ 2 20 巩一输出层的期望输出 d一学习效率口一惯性参数 输入层与 输出层问权值修正Wil 1 w H l一 硎 t 2 21 删 I t o 6 0t p w Hn 1 2 22 石油大学 华东 硕士论文第二章电磁无损检测的现状及新进展t 例 疋 2 23 正是通过信息正向传播 误差反向传播修正是输入模式与期望输 出模式误差最小 从而达到模式识别的目的的 神经网络技术应用于涡流检测信号处理具有很赶的潜力 只要解决好输入参量特征提取问题 做到参数少 彼此间不相关 使模式识别的算法简单 操作时间短 网络结构简单 既可大大缩 短处理时间 满足实时处理和在线识别的要求 2 4 3小波变换方法 踽 1小波变换 Wavelet transform 是近年来从傅里叶变换发展起来又优于傅立叶变换的新 技术 它在时域和频域同时具有良好的局部化性质 而且由于对高 频成分采用逐渐精细的时域或空域取样步长 从而可以聚焦到对象的任意细节 它综合了时域信息和频域信息 广泛应用于去除噪声 特征提取 以及边缘检测等方面 从信号处理角度来说 小波变换是一种谐波分析的方法 设F 是一根恩光量有限的信号 其小波变换定义为厂 与一个波函 数集 O 的内积 即af a 矽 似 何 f厂似 廊 2 24 其中 口 2妒 f一6 口 称为小波函数 为分析函数 倒经平移扩展后得到的函数集 口一小波的尺度系数a R 卜小波的 时间系数b R设y 倒n 倒且c 伴竿掣协 通过对检测信号进行小波变换 根据具体问题的先验知识 利用信 号和噪声在时域和频域的差别 使含有噪声信号的变换系数为零 然后 进行逆小波变换 得到去噪后的信号信息 实践表明该方法不仅消除噪声性17石油大学 华东 硕士论文第二章 鹿磁无损检测的现状及新进展能好 有高的缺陷定位能力和高的纵 向分辨率 还可降低硬件成本 简化调试 方便维护 因此是 中 非常好的去除噪声和特征提取的方法 已被得到广泛的应用 2 5电磁无损检测的计算方法 1随着计算机的出现 数值计算方 法得到了迅速的发展 并应用于电工领域 它可以作为检测探头的 辅助工具 可以作为产生缺陷信号的还可以作为 试验台 分析研 究某些电磁无损检测机理的手段 对无损检测的发展有很大的作用 2 5 1有限差分计算方法F打 有限差分通过差商代替微商 用差 分代替微分 用差分方程代替微分方程 并根据原问题的初值条件 和边值条件合理的给出离散化的代数方程的初值条件和边值条件 从而实现离散化和代数化过程 它是最简单数值计算方法之一 也是最早应用于无算检测方面韵数 值计算方法 2 5 2边界元计算方法F吖边界元方法以边界积分方程为基础 用 有限维近似思想将边界积分方程离散化 导出近似解的代数方程组 基本方法是 将近似解的剩余用满足用满足微分方程的奇异函数 格 林函数 唯权作内积 分部积分直到微分算子全部转移到权函数上 推出与微分问题等价的边界积分方程 然后在边界上剖分单元 离 散后得到代数方程组 因此 边界元方法是一种以格林函数为权的特殊形式的加权剩余法 它的优点是以边界积分方程为基础的 只需在边界上求解 所以 能使闯题的维数降低为一维 这样它只需将边界离散化 减少了代数方程系数矩阵的阶数 因此 被广泛地应用于无损检测方面 2 5 3有限元数值计算方法 町有限元方法以加权剩余法和变分法 为基础 结合分块逼近技术 形成系统化的数值计算方法 电磁无损检 915问题可以描述为在一个连续区域内满足某个偏微分 方程 而根据变分原理 在一定条件下 求解偏微分方程的数值解问题 与求解泛函的极值问题是相互等价的 有限元法就是从这18石油大学 华东 硕士论文第二章电磁无损检测 的现状及新进展一原理出发 将偏微分方程问题转化为等价的泛函 极值问题 然后 利用有限维近似思想 将求解区域分割为有限个单元 并在 每个单元内采用假设的近似函数 由场变量在节点处的函数值或其导 数值插值而得到 来表示场变量 近而转化为代数方程组的求解问题 下面是它的理论模型的基本假设电流密度及常量均随时加南正弦 规律变化 并不考虑谐波分量 线圈激励电流在其窗口中均匀分布 忽略探头运动速度的影响 线圈导体中的涡流忽略不计 模型中 各种材料的电导率和磁导率均为常数 忽略位移电流 在引入磁失 势j饵 Vx乃后 由麦克斯韦方程组得到V 一V A 一jcoGA 2 26 对于轴对称问题 上式可以化筒为粤 罢 粤一兰一 jco c r五co zetA 2 27 矿 石十可一7一 1 其对应的能量泛函为晦则盼够 弘竽H 一 cz咄 其中D为求解区域 求解 2 28 式即可获得轴对称情况下 涡流无损检测中正问题的数值解 由于有限元可以方便灵活的处理复杂形状边界和交界面 而且成功 的用于多种介质和非均匀介质问题 从而使得在电磁检测问题的数 值计算和仿真研究中大多采用这种方法 2 6电磁检测前景与展望120 2 6 1检测仪器与探头设计仪器是检 测的亡具 探头是检测设备的关键器件 目前 对仪器进行优化设 计 对探头设计的理论进行研究是重要课题 2 6 2多功能多参数的综合检测方法每一种无损检测方法都有自己 的优点和缺点 而单一的无损检测方法只能检测出部分缺陷 不能 完成全面的无损检测 因此发展多功能多参数19石油大学 华东 硕士论文第二章电磁无损 检测的现状及新进展的综合检测方法会成为一种潮流 2 6 3先进的数值计算方法和信号处理方法的应用尽管采用有限元 计算方法推动了理论和实践的发展 采用以上信号处理方法提高了 信噪比 但是 如何快速解决涡流无损检测中的三维问题 完成逆 问题的求解 重构缺陷 把无损检测方法从定性检测发展到定量检 测 仍是急待研究的问题 2 6 4成像技术由于计算机数字图象处理技术的发展 成像技术因 它固有的优点已广泛的应用于无损检测方面 出现了射线成像技术 红外热成像技术 超声成像技术 涡流成像技术 这些新兴的无损检测技术具有强大的生命力 但需要进一步的研究 不断完善软件设计 以扩大测量范围 应用领域 2 6 5人工智能技术应用涡流无损检测的人工智能技术是指把涡流 无损检测经验和数据有效利用的一种技术手段 它有两种应用形式 专家系统和人工神经网络 石油大学 华东 硕士论文第三章应力对铁磁性材料的影响机制及计 算方法第三章应力对铁磁性材料的影响机制及计算方法金属构件经 过各种加工后 材料内部存在着应力 由这样的构件组成的机械设 备 即使设计合理 在额定的载荷条件下工作 也可能因为载荷和 内应力叠加超过承载能力而发生事故 研究 种可靠的对铁磁构件 进行无损检测的方法 是十分必要的 内应力状态早就与外磁场 温度一起被认为是改变铁磁性物质磁化 状态的三个最重要的因素 应力对磁特性物质的影响与磁致伸缩及其逆效应 磁机械效应关系密切 在应力作用下铁磁性物质的磁特性 磁滞回线 矫顽力 剩磁 磁导率等 都要发生变化 科学工作者已经开始致力于研究磁特性与应力之间的作用关系 并 利用这些关系检测被测材料中的应力状态 Jiles D C 口盯和Ono l 脚 等分别研究应力状态对巴克豪森 噪声现象和磁声发射现象的影响 后来这两种现象都成了检测材料 中的应力状态的好方法 而Tomohiro YamasakiO 1等人是利用最大磁致伸缩值检测应力的 本章介绍磁致伸缩理论及其最新进展 J M Makar B KTanner等 前人的实验结果以及D c 涧龉和D L Atherton理论定量解释和 计算应力对铁磁性材料的影响 从理论上求出在应力作用下铁磁性 材料的磁滞回线 3 1应力对铁磁性材料的影响机制3 1 1磁致伸缩口 能量理论