基于磁记忆效应的铁磁构件力磁耦合仿真及应用研究

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随着科学技术的快速发展,人们对产品质量的要求越来越高,构件的质量检测由常规的宏观缺陷检测发展到缺陷源的早期诊断。与常规检测技术相比,磁记忆检测技术具有快速、无外加磁场及检测成本低等优点。但由于该技术发展历史短暂,从技术原理到检测装备研发到实际应用,还有许多问题尚待研究。本文以磁性物理学及铁磁学理论为指导,以数值模拟和试验研究为手段,主要研究了应力对试样表面磁场的影响,探索了铁磁材料力-磁效应的物理机制。论文包括以下内容:  (1)磁记忆检测的原理实际上是磁弹性和磁机械效应共同作用的结果。依据铁磁学原理,探讨了地磁效应使铁磁构件产生磁性的机理,研究了铁磁构件在磁弹性及磁致伸缩效应的共同作用下产生磁记忆效应的机理。解释了磁记忆技术能够检测、确定构件缺陷及应力集中部位的原因。  (2)根据磁性物理学、铁磁学和相关力学理论,分析探讨了铁磁材料内部能量变化规律和力-磁效应的磁化模型,并以含双侧缺陷平板试样和V型裂纹的齿轮为研究对象,分别建立有限元模型进行应力场及静磁场分析。根据应力场的分布特征,对试件的静磁场模型进行分区处理,并根据力磁耦合模型计算所得的相对磁导率对各区域进行属性设置,从而计算应力作用下的磁场分布。  (3)对平板试件及齿轮试件进行了疲劳试验,并对不同程度加载次数后的试件进行磁记忆检测。研究了试样在不同疲劳应力水平作用下和不同循环周次后,磁记忆检测信号的特征;分析了随裂纹的尺寸的变化,磁记忆信号的变化规律。最后,将磁记忆检测技术应用于轧机减速箱齿轮的故障检测,验证了以梯度峰值作为检测齿轮损伤的有效性。  
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