廖建彬，周海峰

(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門361021)

金屬構(gòu)件磁記憶檢測效果的有限元仿真與實(shí)驗(yàn)

廖建彬，周海峰

(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門361021)

為確定金屬磁記憶檢測的影響因素，對(duì)金屬磁記憶檢測機(jī)理及電磁有限元進(jìn)行了理論分析，利用ANSYS有限元分析軟件模擬并分析了試件所受拉伸載荷的大小、試件溫度對(duì)磁記憶檢測效果的影響．同時(shí)，以45號(hào)鋼桿件為例，進(jìn)行拉伸加載實(shí)驗(yàn)，并與仿真結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可行性．

金屬構(gòu)件;磁記憶檢測;影響因素;ANSYS;仿真

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中設(shè)備的損壞80%以上為疲勞破壞［1］．金屬磁記憶檢測技術(shù) (MMMT)借助天然地磁場作用，利用鐵磁性構(gòu)件應(yīng)力集中區(qū)及其內(nèi)部缺陷對(duì)磁作用的特殊反應(yīng)機(jī)制［2－5］，即利用已有缺陷或缺陷形成之前的微區(qū)變化在地磁場作用下發(fā)出變化磁場信息的特性，間接地判斷鐵磁工件的應(yīng)力集中區(qū)或缺陷［6－7］，利用該技術(shù)可以對(duì)鐵磁性工件進(jìn)行壽命評(píng)估．目前對(duì)于磁記憶檢測技術(shù)的研究主要集中于應(yīng)用方面，對(duì)金屬磁記憶檢測效果的研究不多，筆者采用仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方式對(duì)金屬磁記憶檢測效果的影響因素進(jìn)行了分析．

1 電磁有限元分析

1.1 電磁場的有限元分析及定解條件

電磁場偏微分方程的定解條件包含待求場函數(shù)的初始條件和邊界條件．1)初始條件:待求場函數(shù)初始瞬間其場域各處的值及其場函數(shù)對(duì)時(shí)間的變化率．2)邊界條件:待求場函數(shù)在場域邊界上的邊值．3)銜接條件:由于不同物理性質(zhì)的介質(zhì)組成電磁場所求解的場域，對(duì)于不同介質(zhì)的分界面，場量E(電場強(qiáng)度)、H(磁場強(qiáng)度)、B(磁感應(yīng)強(qiáng)度)和D(電通量密度)的物理狀態(tài)變化是不連續(xù)的［9］．在ANSYS電磁場分析中，其銜接條件自動(dòng)滿足．

1.2 應(yīng)力—磁場的耦合

材料組織本身的缺陷或不均勻性在機(jī)械應(yīng)力作用下將導(dǎo)致材料磁導(dǎo)率分布的不均勻性，進(jìn)而在外界地磁場的作用下產(chǎn)生漏磁場，磁導(dǎo)率的不均勻程度決定了漏磁場的大?。?0］．鐵磁性工件在弱磁場條件下力磁耦合的模型［11］:式中:μ為施加應(yīng)力后的磁導(dǎo)率;μT為未施加應(yīng)力的初始磁導(dǎo)率;b為材料本身性質(zhì)相關(guān)常數(shù);a0、a1、m、n為系數(shù)，與應(yīng)力值和載荷方向有關(guān)．

采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行仿真分析，利用間接式的順序耦合法，通過力—磁耦合模型計(jì)算構(gòu)件應(yīng)力對(duì)磁導(dǎo)率的影響，然后對(duì)模擬構(gòu)件的磁導(dǎo)率賦值，考慮外載荷和天然地磁場的共同作用，對(duì)鐵磁構(gòu)件的力—磁效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，即先分級(jí)對(duì)試件進(jìn)行拉伸應(yīng)力分析，將拉伸運(yùn)算得出的結(jié)果進(jìn)行磁分析，得出最終運(yùn)算結(jié)果，其單次流程圖如圖1所示．

圖1 ANSYS仿真分析流程Fig.1 ANSYS simulation analysis

2 基于ANSYS的磁記憶檢測效果分析

由文獻(xiàn)［12］可知，對(duì)于承受載荷的鐵磁性構(gòu)件，在其被檢測的△Z長度段上的漏磁場Hp的變化與機(jī)械應(yīng)力Δσ各向異性的關(guān)系為:Hp=(λH/μ0)Δσ，其中:λH為壓磁系數(shù);Δσ為外力的變化;μ0為真空磁導(dǎo)率．該式可以確定△Z段上的應(yīng)力Δσ水平．

2.1 基于ANSYS的金屬構(gòu)件的受力狀態(tài)有限元分析

有限元分析模擬試驗(yàn)桿件外形及尺寸如圖2所示，利用ANSYS軟件仿真計(jì)算分析，得到的模擬工件施加拉伸載荷后表面應(yīng)力分布結(jié)果如圖3，即加載后工件的兩端變直徑的地方應(yīng)力最大，由于應(yīng)力嚴(yán)重集中，在持續(xù)拉伸載荷作用下該處將首先出現(xiàn)頸縮，產(chǎn)生損傷并最終斷裂破壞．

2.2 基于ANSYS的金屬構(gòu)件的應(yīng)力對(duì)磁記憶信號(hào)的影響

有限元分析結(jié)果表明，在拉應(yīng)力作用下，工件細(xì)桿對(duì)應(yīng)的兩端變直徑地方應(yīng)力集中嚴(yán)重，磁信號(hào)的差異即體現(xiàn)了應(yīng)力集中程度不同對(duì)磁信號(hào)的影響．圖4、圖5分別給出了加載前和加載至頸縮后磁場強(qiáng)度矢量圖，局部放大圖的箭頭密度體現(xiàn)出該處的漏磁場強(qiáng)度．在地磁場作用下工件加載前基本沒有應(yīng)力集中，磁信號(hào)平行通過試件，且磁記憶信號(hào)較弱，如圖4所示;對(duì)桿件進(jìn)行模擬施加逐漸增大的拉伸載荷，當(dāng)載荷高于40 kN時(shí)工件產(chǎn)生頸縮，可以看到試件磁記憶信號(hào)增強(qiáng)并在頸縮處發(fā)生較大溢出，如圖5所示．可見，隨著拉伸載荷增大，拉應(yīng)力也逐漸增大，應(yīng)力集中越來越嚴(yán)重，在應(yīng)力集中的地方 (發(fā)生頸縮處)磁信號(hào)增強(qiáng)，最終發(fā)生溢出，形成了漏磁場．

圖2 模擬試件尺寸示意圖Fig.2 The simulation specimen size scheme

圖3 試件加載后表面應(yīng)力分布圖Fig.3 The surface stress distribution of the loaded specimen

圖4 加載前磁場強(qiáng)度矢量圖Fig.4 The magnetic field intensity vectorgraph of unloaded

圖5 試件加載頸縮后磁場強(qiáng)度矢量圖Fig.5 The magnetic field intensity vectorgraph of the loaded necking specimen

2.3 基于ANSYS的金屬構(gòu)件的溫度對(duì)磁信號(hào)的影響

鐵磁性材料在外磁場中會(huì)被強(qiáng)烈地磁化，順磁性材料在外磁場中，只能微弱地被磁化，抗磁性材料能抗拒或削弱外磁場對(duì)材料本身的磁化作用．本文模擬試件的材料為45號(hào)鋼，屬于鐵磁性材料，當(dāng)溫度升高到一定數(shù)值時(shí)，磁疇被破壞，變?yōu)轫槾朋w，這個(gè)轉(zhuǎn)變溫度稱為居里點(diǎn)，如鐵的居里點(diǎn)是770℃，45號(hào)鋼的居里點(diǎn)大約是750℃．45號(hào)鋼的相對(duì)磁導(dǎo)率與溫度的關(guān)系如表1所示．

表1 45號(hào)鋼的相對(duì)磁導(dǎo)率與溫度的關(guān)系［13］Tab.1 The relation between velative prermeability and temperature of 45#carbon steel

由表1可見，隨著試件加熱溫度升高，其相對(duì)磁導(dǎo)率逐漸減小，當(dāng)45號(hào)鋼試件溫度超過760℃時(shí)，其相對(duì)磁導(dǎo)率為1，由于相對(duì)磁導(dǎo)率為磁導(dǎo)率μ與真空磁導(dǎo)率μ0的比值，因此此時(shí)材料的磁導(dǎo)率為真空磁導(dǎo)率．利用ANSYS軟件，讓試件模擬加熱到800℃時(shí)其磁場強(qiáng)度矢量圖如圖6所示，由于超過材料的居里點(diǎn)其磁導(dǎo)率下降，由圖6中放大部分可以看出其磁場強(qiáng)度顯著下降 (磁力線急劇減少)，漏磁場基本消失．

圖6 試件加熱到800℃時(shí)磁場強(qiáng)度矢量圖Fig.6 The magnetic field intensity vectorgraph of the 800℃heated specimen

3 不同載荷下金屬構(gòu)件磁記憶檢測實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料采用45號(hào)鋼，試件規(guī)格尺寸如圖3所示，材料的彈性模量E=201 000 Mpa，切變模量G=80 000 MPa，屈服強(qiáng)度420 MPa，抗拉強(qiáng)度598 MPa，泊松比0.28［14］．將試件一端固定，另一端施加沿軸線方向的均布拉力，載荷大小可調(diào)．為了消除材料本身磁性對(duì)結(jié)果的影響，試驗(yàn)前對(duì)工件進(jìn)行了退磁處理．

工件在60 t萬能材料試驗(yàn)機(jī)上，選用不同的兩種載荷從空載加載到出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，試件從200 mm伸長至226 mm，直徑縮小至8.8 mm．磁記憶檢測跟蹤拉伸工件整個(gè)過程中磁記憶信號(hào)Hp(y)的變化．實(shí)驗(yàn)檢測采用工件帶負(fù)荷檢測方式，磁記憶檢測傳感器沿試件軸向，以大約1 cm提離高度和1 cm/s的移動(dòng)速度進(jìn)行檢測，磁記憶檢測通道長約為100 mm．實(shí)驗(yàn)檢測結(jié)果如圖7所示，它給出了各級(jí)加載后磁記憶信號(hào)Hp(y)曲線變化特征，可見，加載前，無應(yīng)力集中的Hp(y)曲線平滑，無明顯突變特征;加載后Hp(y)曲線在細(xì)桿對(duì)應(yīng)的兩端應(yīng)力集中處突變程度顯著增加，并且Hp(y)曲線均出現(xiàn)過零點(diǎn)，并且在過零點(diǎn)的地方出現(xiàn)頸縮，如圖8所示．

圖7給出了漏磁場法向分量Hp(y)值的變化特征，即表征了磁記憶信號(hào)的變化特征．由圖7各曲線可見，Hp(y)值大小與工件所受應(yīng)力大小有關(guān)，即構(gòu)件所受外加載荷越大，其產(chǎn)生應(yīng)力越大，Hp(y)值也越大．因此，磁記憶信號(hào)Hp(y)值可基本反映鐵磁性構(gòu)件的受力情況．同時(shí)磁記憶信號(hào)Hp(y)曲線過零點(diǎn)位置就是被加載構(gòu)件應(yīng)力最大區(qū)域即發(fā)生頸縮的位置，這與仿真分析的結(jié)果位置基本一致．

4 結(jié)論

利用ANSYS軟件對(duì)45號(hào)鋼試件進(jìn)行了仿真計(jì)算并進(jìn)行模擬加載實(shí)驗(yàn)，得出:對(duì)試件施加的載荷增大，其應(yīng)力集中現(xiàn)象增強(qiáng)，在應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生漏磁場信號(hào)也增強(qiáng)，這也驗(yàn)證了磁記憶檢測的原理，通過磁記憶信號(hào)Hp(y)過零點(diǎn)的位置可以較為準(zhǔn)確有效地判定工件的應(yīng)力集中區(qū)域或缺陷和損傷位置．同時(shí)，隨著試件加熱溫度升高其磁導(dǎo)率降低，在溫度超過試件材料的居里點(diǎn)時(shí)，其磁導(dǎo)率降至最低，磁場強(qiáng)度急劇降低，磁記憶信號(hào)基本消失．對(duì)鐵磁性工件進(jìn)行有限元仿真分析和磁記憶檢測實(shí)驗(yàn)，有利于研究工件應(yīng)力分布及應(yīng)力集中部位與磁場強(qiáng)度間的內(nèi)在聯(lián)系，進(jìn)一步完善磁記憶檢測的機(jī)理研究和推廣應(yīng)用．

圖7 不同載荷下檢測磁記憶信號(hào)圖Fig.7 Graph of magnetic memory signal in variable load

圖8 加載頸縮的試件圖Fig.8 loaded and necking specimen

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(責(zé)任編輯 陳 敏 英文審校 陳扼西)

Finite Element Simulation and Experimental on the Effect of Metal Components Magnetic Memory Testing

LIAO Jian-bin，ZHOU Hai-feng
(Marine Engineering Institute，Jimei University，Xiamen 361021，China)

To determine influence factors of metal magnetic memory testing，the metal magnetic memory testing mechanism and electromagnetic finite element were theoretical analyzed．The magnetic memory testing effect of the specimens under different tensile loads and temperatures was simulated and analyzed by ANSYS．Specimens of 45#carbon steel，were actually experimented with tensile loads and results were comparing with those from simulation．The feasibility of simulation results was therefore validated．

metal component;magnetic memory testing;effect factor;ANSYS;simulation

TG 115.28

A

1007－7405(2012)05－0357－05

2012－01－09

2012－06－25

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (51179074);潘金龍集美大學(xué)學(xué)科建設(shè)基金資助項(xiàng)目 (C510068)

廖建彬 (1976—)，男，講師，碩士，從事現(xiàn)代輪機(jī)管理工程研究．