基于磁力效應(yīng)的鋼結(jié)構(gòu)全磁通應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)的理論和試驗(yàn)研究.pdf

1、鋼材屬鐵磁材料，廣泛地應(yīng)用于建筑、橋梁、鐵路、機(jī)械和生命線工程等領(lǐng)域。采用建筑鋼材建造的工程結(jié)構(gòu)，在其服役期內(nèi)將不可避免地產(chǎn)生一些損傷，從而影響結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布規(guī)律，導(dǎo)致其部分應(yīng)力可能超限，引起局部失效，嚴(yán)重者將使整個(gè)結(jié)構(gòu)倒塌。因此，研究如何直接測(cè)試結(jié)構(gòu)構(gòu)件實(shí)際受力狀況與損傷及材性變化的新理論和新技術(shù)，就成為當(dāng)前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與診斷領(lǐng)域中—個(gè)亟待解決的研究課題，其成果將具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
　　 本文以此為研究背景，通

2、過理論分析和模型試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了鋼結(jié)構(gòu)全磁通應(yīng)力無損檢測(cè)技術(shù)的基本理論和應(yīng)用方法，主要研究工作如下：
　　 (1)根據(jù)鐵磁學(xué)的相關(guān)理論，分析了鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的微觀機(jī)理，并通過對(duì)磁疇結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，即磁疇壁移動(dòng)和磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律的研究，分析了外磁場(chǎng)作用下鐵磁材料的磁化過程與—般規(guī)律，同時(shí)采用能量分析方法，研究了影響鐵磁材料磁疇運(yùn)動(dòng)的主要因素，包括應(yīng)力、摻雜和彌散磁場(chǎng)等，探討了各種能量對(duì)鐵磁材料磁行為和磁參量的影響，研究了相應(yīng)

3、的自發(fā)磁化理論和技術(shù)磁化理論等。
　　 （2）根據(jù)磁疇結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)變化方式，分析了磁致伸縮效應(yīng)和逆碰致伸縮效應(yīng)以及相應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理，研究了外荷載產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)正磁致伸縮材辯和負(fù)磁致伸縮材料磁化強(qiáng)度的影響，同時(shí)基于逆磁致伸縮效應(yīng)，從能量極小原理入手，詳細(xì)地討論了磁化強(qiáng)度對(duì)應(yīng)力的敏感性，說明了基于鋼材磁力效應(yīng)的全磁通應(yīng)力無損檢測(cè)理論和應(yīng)用技術(shù)的可行性，為本文的研究提供了理論依據(jù)。
　　 （3）從鐵磁晶體的微觀機(jī)理出發(fā)，研究了內(nèi)應(yīng)力

4、對(duì)磁疇和磁疇壁的影響機(jī)理，討論了內(nèi)應(yīng)力在磁疇運(yùn)動(dòng)變化不同狀態(tài)下對(duì)起始磁化率的影響。通過對(duì)磁疇結(jié)構(gòu)各種能量的分析，并以內(nèi)應(yīng)力對(duì)磁疇運(yùn)動(dòng)的影響機(jī)理為基礎(chǔ)，建立了在內(nèi)應(yīng)力作用下，磁疇運(yùn)動(dòng)變化不同狀態(tài)下起始磁化率與內(nèi)應(yīng)力的理論關(guān)系式，從理論上說明了基于磁力效應(yīng)磁性無損檢測(cè)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力的可行性。
　　 （4）討論了鐵磁材料的各種磁力效應(yīng)，如巴雷特效應(yīng)，戚德曼效應(yīng)和磁致彎曲效應(yīng)等，并以逆磁致伸縮效應(yīng)為基礎(chǔ)，研究了鐵磁材料的磁力學(xué)性能，改

5、進(jìn)了兩種碰滯回本構(gòu)模型，即改進(jìn)了基于率無關(guān)的磁力滯回模型和Jiles Atherton本構(gòu)模型。采用Matlab語言，編寫了求解磁滯回曲線的數(shù)值分析程序，并對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值分析，得到了鐵磁材料的各種特征參數(shù)，如殘余磁化強(qiáng)度和起始磁化曲線等，同時(shí)還研究了考慮磁力耦合和不考慮磁力耦合兩種情況下的主磁滯回曲線，討論了應(yīng)力對(duì)主磁滯回曲線的影響，得出了Q235鋼模型試件的模擬磁滯回曲線，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。
　　 (5)設(shè)計(jì)了6種共計(jì)6

6、6個(gè)Q235鋼制作的模型試驗(yàn)試件，直徑分別為4mm和16mm，截面形狀為實(shí)心圓鋼和空心鋼管兩種，受力狀態(tài)為拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。通過NIM-2000HF磁力耦合試驗(yàn)機(jī)，分別對(duì)66個(gè)Q235空、實(shí)心圓鋼模型試件進(jìn)行了磁力耦合加載加磁試驗(yàn)，得出了在不同磁場(chǎng)和受力狀態(tài)下的磁滯回曲線與矯頑場(chǎng)等特征曲線，探討了外加應(yīng)力對(duì)磁滯回曲線的影響規(guī)律以及外加磁場(chǎng)對(duì)矯頑場(chǎng)的影響，建立了磁化強(qiáng)度與外加應(yīng)力之間的相關(guān)關(guān)系，確定了磁化強(qiáng)度應(yīng)力敏感區(qū)的最優(yōu)磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍，同

7、時(shí)還研究了模型試件的外徑和壁厚等對(duì)其磁化強(qiáng)度的影響，探討了試件尺寸等對(duì)其磁化強(qiáng)度影響的一般規(guī)律。
　　 (6)根據(jù)鐵磁材料的磁化強(qiáng)度對(duì)外加應(yīng)力敏感這一特性，從能量極小原理出發(fā)，建立了鐵碰材料的碰感應(yīng)強(qiáng)度和磁通量等磁特性與其外加應(yīng)力之間的磁力學(xué)率構(gòu)模型，該模型可以較好地反映鐵磁材料磁力學(xué)本構(gòu)關(guān)系的主要特征。同時(shí)，還從熱力學(xué)的角度出發(fā)，建立了鐵磁材料的磁力耦合方程，得出了相應(yīng)的磁通量增量與其應(yīng)力增量之間的本構(gòu)關(guān)系。應(yīng)用自編的計(jì)算機(jī)分

8、析程序，對(duì)所提磁力學(xué)本構(gòu)方程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并且與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，兩者吻合較好。
　　 理論和試驗(yàn)研究結(jié)果均表明，鐵磁材料的磁疇結(jié)構(gòu)決定著其磁力學(xué)性能，外加磁場(chǎng)和外加應(yīng)力均是碰疇壁移動(dòng)的動(dòng)力，而內(nèi)應(yīng)力等則是影響其磁疇壁移動(dòng)的阻力，鐵磁材料在外加磁場(chǎng)和外加應(yīng)力的共同作用下，其磁特性與碰致伸縮系數(shù)有著密切的聯(lián)系，并且在去磁狀態(tài)下，外加應(yīng)力就可引起磁疇的疇壁移動(dòng)，當(dāng)外加磁場(chǎng)確定時(shí)，如果給鐵磁材料施加外應(yīng)力，則外加應(yīng)力將改變材料

9、的磁化強(qiáng)度，而磁化強(qiáng)度的改變必將導(dǎo)致其磁通量發(fā)生變化，因此可通過測(cè)試材料磁通量的變化來判斷其實(shí)際受力狀況。此外，研究結(jié)果還表明，磁滯回曲線對(duì)外加應(yīng)力比較敏感，各模型試件均具有各自的磁化強(qiáng)度應(yīng)力敏感區(qū)，其特征主要是應(yīng)力敏感區(qū)的磁化強(qiáng)度和磁通量都隨拉應(yīng)力的增大而增大，都隨壓應(yīng)力的增大而減小，而且其變化規(guī)律具有較好的線性性質(zhì)。同時(shí)，模型試件的直徑越大，其磁化強(qiáng)度應(yīng)力敏感區(qū)的范圍也越大，并且在最優(yōu)磁場(chǎng)強(qiáng)度作用下，試件對(duì)外加應(yīng)力的變化最為敏感，因