孫志遠

(中國地震局工程力學研究所，哈爾濱 150080)

隨著科技的不斷進步和社會經(jīng)濟實力的提高，每年建筑用鋼材需求都在數(shù)千萬噸。鋼材作為結(jié)構(gòu)最主要的構(gòu)件，往往都擔負著巨大的載荷。對建筑結(jié)構(gòu)鋼材料實際受力狀態(tài)的直接測試方法成為當代結(jié)構(gòu)健康診斷領域一個重要的研究課題，其研究成果極具工程應用價值，同時勢必將推動對結(jié)構(gòu)安全性評價的整體分析水平。

本文在綜述了國內(nèi)外常用的磁學鐵磁材料檢測方法的基礎上，著重研究了基于磁力耦合法的建筑鋼材料應力檢測技術(shù)。并依此為研究背景，通過理論分析、實驗和先進的仿真技術(shù)手段，全面地研究了該檢測技術(shù)的基本理論和實用技術(shù)。主要研究工作如下：

(1) 根據(jù)建筑鋼材料的構(gòu)成成分，結(jié)合鐵磁學理論研究了應力及雜質(zhì)對其磁疇和磁疇壁的影響機理。分析得到應力的施加使得晶體的應力能增大和磁化方向隨應力方向發(fā)生變化的結(jié)論；雜質(zhì)使得磁疇的結(jié)構(gòu)變得十分復雜，需要通過大量的實驗來驗證對應力檢測方法的影響范圍。闡述了利用技術(shù)磁化進行鋼材料應力檢測的一般規(guī)律，為建立磁力耦合關系理論模型提供了必要的理論支持。

(2) 利用Joule效應的逆效應證明了應力-伸縮-磁場的變化規(guī)律。討論了在外磁場和應力作用下鐵磁晶體內(nèi)其總自由能的主要組成，并根據(jù)能量守恒定律和熱力學動態(tài)平衡原理，建立了應力對磁特性參量影響的數(shù)學模型方程，并對數(shù)學模型方程進行解析，獲得了在不同磁場強度下鋼材料應力與其相對磁導率變化的計算結(jié)果。

(3) 依據(jù)理論分析的鋼材料應力狀態(tài)與其磁導率的關系，提出了對材料進行技術(shù)磁化并通過電磁感應原理進行應力檢測的實用方法。設計了采用脈沖和正弦信號兩種方式作為激磁信號的激磁電路；根據(jù)被測材料形狀和使用狀態(tài)設計了管筒式和U型磁路式兩種結(jié)構(gòu)磁探頭，對其磁回路進行了磁路分析；并利用電磁場有限元仿真軟件對探頭進行了優(yōu)化設計。

(4) 開發(fā)了相應的應力檢測系統(tǒng)樣機，對主要參數(shù)進行了試驗分析。根據(jù)不同的探頭結(jié)構(gòu)和激磁方式設計了相應的試驗方案，利用標定法在萬能材料試驗機上對檢測系統(tǒng)樣機進行主要技術(shù)參數(shù)的校準。對于該數(shù)據(jù)在進行處理后與材料應力關系進行了四階曲線擬合，其相關系數(shù)都在0.98以上。并對同一材料其雜質(zhì)對檢測值的影響進行了分析。從試驗結(jié)果看，一般廠家生產(chǎn)的工程材料這種誤差影響最大值小于3%。

(5) 利用FLUX電磁場仿真軟件對系統(tǒng)整體進行電磁場分析，了解材料內(nèi)磁場大小、分布等信息，通過軟件計算出應力與材料磁導率的對應關系，并且得到與理論相一致的結(jié)論。最后，提出了試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對某種材料應力值進行標定，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的試驗標定法并取得了良好的仿真結(jié)果，其中U型探頭測量鋼筋應力的仿真效果最好，其誤差最大值小于1%。

最后，總結(jié)了全文的主要研究工作，指出了論文的不足之處以及后續(xù)的研究重點。