混合磁参数应力检测技术研究

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铁磁性材料具有抗弯曲、抗拉压、抗疲劳及抗腐蚀性,因而被广泛应用于铁路交通、输油管道、航天、国防、核工业等领域。在材料加工制造过程中,如焊接、切削、铸造、热处理等工序,易形成应力集中或残余应力,其所引起构件疲劳强度降低导致服役期间构件失效,进而发生安全事故。因此,早期应力检测及评估有必要性。铁磁元件的残余应力和材料性能评估受到多类因素影响,如组织的不均匀性以及材料各向异性能等。然而,单一检测方法提供的特征参数有限,不同无损检测方法对材料性能的灵敏度不同,如磁巴克豪森噪声信号对材料微观结构变化敏感;涡流对材料近表面的物理性能敏感。因此,多种方法提取出的不同特征值可以相互补充鲁棒检测应力信息。本文结合磁巴克豪森噪声检测法、涡流检测法、交流电磁场检测法以及增量磁导率检测法研究应力检测技术。主要研究内容如下:1)基于电磁场基本理论、磁畴动力学理论以及应力理论,从原理上解释应力产生和拓展机理以及应力与材料各项参数的关系,从而对应力进行多参数评估。基于上述理论,提出混合磁参数检测方法,建立力与磁参数以及力与检测信号理论模型,探究不同磁化阶段对应力评估的主要影响。2)利用COMSOL瞬态分析进行混合磁参数传感器的有限元数值仿真,包括了传感器材料参数设置、激励线圈匝数、接收器建模、电磁屏蔽以及激励参数,研究多方法融合的传感器结构。信号接收器采用高空间分辨率磁头,可测量材料微米级区域,获取局部微应力信息,提高应力和微观组织分辨率。3)混合磁参数探头研制以及实验平台搭建,包括激励线圈的绕制、检测线圈的选取、磁轭以及探头夹具加工、相关硬件模拟电路搭建(信号激励源、功率放大、信号调理、数据采集等)、拉伸装置以及磁光克尔磁畴观测平台。开展一系列测试实验,验证各方法磁参数特征值与应力关系,同时结合磁光克尔磁畴观测,从微观结构解释机理。本论文结合四种方法提取出的磁参量进行应力检测技术研究,建立理论模型以及搭建实验验证平台,实验结合仿真有效论证了理论模型的正确性,验证了多方法、多磁参数能够提高应力评估可靠性,最后应力评估最小相对误差为5%,均方根误差为21.5 MPa。
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