钢材属铁磁材料,广泛地应用于建筑、桥梁、铁路、机械和生命线工程等领域。采用建筑钢材建造的工程结构,在其服役期内将不可避免地产生一些损伤,从而影响结构的内力分布规律,导致其部分应力可能超限,引起局部失效,严重者将使整个结构倒塌。因此,研究如何直接测试结构构件实际受力状况与损伤及材性变化的新理论和新技术,就成为当前结构健康监测与诊断领域中一个亟待解决的研究课题,其成果将具有重要的理论意义和工程应用价值。本文以此为研究背景,通过理论分析和模型试验,系统地研究了钢结构全磁通应力无损检测技术的基本理论和应用方法,主要研究工作如下:(1)根据铁磁学的相关理论,分析了铁磁材料磁畴结构产生的微观机理,并通过对磁畴结构运动变化规律,即磁畴壁移动和磁矩转动规律的研究,分析了外磁场作用下铁磁材料的磁化过程与一般规律,同时采用能量分析方法,研究了影响铁磁材料磁畴运动的主要因素,包括应力、掺杂和弥散磁场等,探讨了各种能量对铁磁材料磁行为和磁参量的影响,研究了相应的自发磁化理论和技术磁化理论等。(2)根据磁畴结构的运动变化方式,分析了磁致伸缩效应和逆磁致伸缩效应以及相应的产生机理,研究了外荷载产生的应力对正磁致伸缩材料和负磁致伸缩材料磁化强度的影响,同时基于逆磁致伸缩效应,从能量极小原理入手,详细地讨论了磁化强度对应力的敏感性,说明了基于钢材磁力效应的全磁通应力无损检测理论和应用技术的可行性,为本文的研究提供了理论依据。(3)从铁磁晶体的微观机理出发,研究了内应力对磁畴和磁畴壁的影响机理,讨论了内应力在磁畴运动变化不同状态下对起始磁化率的影响。通过对磁畴结构各种能量的分析,并以内应力对磁畴运动的影响机理为基础,建立了在内应力作用下,磁畴运动变化不同状态下起始磁化率与内应力的理论关系式,从理论上说明了基于磁力效应磁性无损检测钢结构构件内应力的可行性。(4)讨论了铁磁材料的各种磁力效应,如巴雷特效应,威德曼效应和磁致弯曲效应等,并以逆磁致伸缩效应为基础,研究了铁磁材料的磁力学性能,改进了两种磁滞回本构模型,即改进了基于率无关的磁力滞回模型和Jiles Atherton本构模型。采用Matlab语言,编写了求解磁滞回曲线的数值分析程序,并对其进行了数值分析,得到了铁磁材料的各种特征参数,如残余磁化强度和起始磁化曲线等,同时还研究了考虑磁力耦合和不考虑磁力耦合两种情况下的主磁滞回曲线,讨论了应力对主磁滞回曲线的影响,得出了Q235钢模型试件的模拟磁滞回曲线,并与试验结果进行了比较。(5)设计了6种共计66个Q235钢制作的模型试验试件,直径分别为4mm和16mm,截面形状为实心圆钢和空心钢管两种,受力状态为拉应力和压应力。通过NIM-2000HF磁力耦合试验机,分别对66个Q235空、实心圆钢模型试件进行了磁力耦合加载加磁试验,得出了在不同磁场和受力状态下的磁滞回曲线与矫顽场等特征曲线,探讨了外加应力对磁滞回曲线的影响规律以及外加磁场对矫顽场的影响,建立了磁化强度与外加应力之间的相关关系,确定了磁化强度应力敏感区的最优磁场强度范围,同时还研究了模型试件的外径和壁厚等对其磁化强度的影响,探讨了试件尺寸等对其磁化强度影响的一般规律。(6)根据铁磁材料的磁化强度对外加应力敏感这一特性,从能量极小原理出发,建立了铁磁材料的磁感应强度和磁通量等磁特性与其外加应力之间的磁力学本构模型,该模型可以较好地反映铁磁材料磁力学本构关系的主要特征。同时,还从热力学的角度出发,建立了铁磁材料的磁力耦合方程,得出了相应的磁通量增量与其应力增量之间的本构关系。应用自编的计算机分析程序,对所提磁力学本构方程进行了数值模拟分析,并且与试验结果进行了比较,两者吻合较好。理论和试验研究结果均表明,铁磁材料的磁畴结构决定着其磁力学性能,外加磁场和外加应力均是磁畴壁移动的动力,而内应力等则是影响其磁畴壁移动的阻力,铁磁材料在外加磁场和外加应力的共同作用下,其磁特性与磁致伸缩系数有着密切的联系,并且在去磁状态下,外加应力就可引起磁畴的畴壁移动,当外加磁场确定时,如果给铁磁材料施加外应力,则外加应力将改变材料的磁化强度,而磁化强度的改变必将导致其磁通量发生变化,因此可通过测试材料磁通量的变化来判断其实际受力状况。此外,研究结果还表明,磁滞回曲线对外加应力比较敏感,各模型试件均具有各自的磁化强度应力敏感区,其特征主要是应力敏感区的磁化强度和磁通量都随拉应力的增大而增大,都随压应力的增大而减小,而且其变化规律具有较好的线性性质。同时,模型试件的直径越大,其磁化强度应力敏感区的范围也越大,并且在最优磁场强度作用下,试件对外加应力的变化最为敏感,因此可将最优磁场强度作为钢结构实时应力全磁通无损检测的外加磁场,即能准确测出构件的实际应力和状态。