廖建彬，周海峰

(集美大學輪機工程學院，福建廈門361021)

金屬構件磁記憶檢測效果的有限元仿真與實驗

廖建彬，周海峰

(集美大學輪機工程學院，福建廈門361021)

為確定金屬磁記憶檢測的影響因素，對金屬磁記憶檢測機理及電磁有限元進行了理論分析，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、試件溫度對磁記憶檢測效果的影響．同時，以45號鋼桿件為例，進行拉伸加載實驗，并與仿真結果對比，驗證了仿真結果的可行性．

金屬構件;磁記憶檢測;影響因素;ANSYS;仿真

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)領域中設備的損壞80%以上為疲勞破壞［1］．金屬磁記憶檢測技術 (MMMT)借助天然地磁場作用，利用鐵磁性構件應力集中區(qū)及其內部缺陷對磁作用的特殊反應機制［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力集中區(qū)或缺陷［6－7］，利用該技術可以對鐵磁性工件進行壽命評估．目前對于磁記憶檢測技術的研究主要集中于應用方面，對金屬磁記憶檢測效果的研究不多，筆者采用仿真和實驗結合的方式對金屬磁記憶檢測效果的影響因素進行了分析．

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)對時間的變化率．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:由于不同物理性質的介質組成電磁場所求解的場域，對于不同介質的分界面，場量E(電場強度)、H(磁場強度)、B(磁感應強度)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，其銜接條件自動滿足．

1.2 應力—磁場的耦合

材料組織本身的缺陷或不均勻性在機械應力作用下將導致材料磁導率分布的不均勻性，進而在外界地磁場的作用下產生漏磁場，磁導率的不均勻程度決定了漏磁場的大小［10］．鐵磁性工件在弱磁場條件下力磁耦合的模型［11］:式中:μ為施加應力后的磁導率;μT為未施加應力的初始磁導率;b為材料本身性質相關常數(shù);a0、a1、m、n為系數(shù)，與應力值和載荷方向有關．

采用ANSYS有限元軟件進行仿真分析，利用間接式的順序耦合法，通過力—磁耦合模型計算構件應力對磁導率的影響，然后對模擬構件的磁導率賦值，考慮外載荷和天然地磁場的共同作用，對鐵磁構件的力—磁效應進行數(shù)值模擬，即先分級對試件進行拉伸應力分析，將拉伸運算得出的結果進行磁分析，得出最終運算結果，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［12］可知，對于承受載荷的鐵磁性構件，在其被檢測的△Z長度段上的漏磁場Hp的變化與機械應力Δσ各向異性的關系為:Hp=(λH/μ0)Δσ，其中:λH為壓磁系數(shù);Δσ為外力的變化;μ0為真空磁導率．該式可以確定△Z段上的應力Δσ水平．

2.1 基于ANSYS的金屬構件的受力狀態(tài)有限元分析

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

2.2 基于ANSYS的金屬構件的應力對磁記憶信號的影響

有限元分析結果表明，在拉應力作用下，工件細桿對應的兩端變直徑地方應力集中嚴重，磁信號的差異即體現(xiàn)了應力集中程度不同對磁信號的影響．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)出該處的漏磁場強度．在地磁場作用下工件加載前基本沒有應力集中，磁信號平行通過試件，且磁記憶信號較弱，如圖4所示;對桿件進行模擬施加逐漸增大的拉伸載荷，當載荷高于40 kN時工件產生頸縮，可以看到試件磁記憶信號增強并在頸縮處發(fā)生較大溢出，如圖5所示．可見，隨著拉伸載荷增大，拉應力也逐漸增大，應力集中越來越嚴重，在應力集中的地方 (發(fā)生頸縮處)磁信號增強，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 試件加載后表面應力分布圖Fig.3 The surface stress distribution of the loaded specimen

圖4 加載前磁場強度矢量圖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的金屬構件的溫度對磁信號的影響

鐵磁性材料在外磁場中會被強烈地磁化，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材料本身的磁化作用．本文模擬試件的材料為45號鋼，屬于鐵磁性材料，當溫度升高到一定數(shù)值時，磁疇被破壞，變?yōu)轫槾朋w，這個轉變溫度稱為居里點，如鐵的居里點是770℃，45號鋼的居里點大約是750℃．45號鋼的相對磁導率與溫度的關系如表1所示．

表1 45號鋼的相對磁導率與溫度的關系［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，其相對磁導率逐漸減小，當45號鋼試件溫度超過760℃時，其相對磁導率為1，由于相對磁導率為磁導率μ與真空磁導率μ0的比值，因此此時材料的磁導率為真空磁導率．利用ANSYS軟件，讓試件模擬加熱到800℃時其磁場強度矢量圖如圖6所示，由于超過材料的居里點其磁導率下降，由圖6中放大部分可以看出其磁場強度顯著下降 (磁力線急劇減少)，漏磁場基本消失．

圖6 試件加熱到800℃時磁場強度矢量圖Fig.6 The magnetic field intensity vectorgraph of the 800℃heated specimen

3 不同載荷下金屬構件磁記憶檢測實驗

實驗材料采用45號鋼，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，屈服強度420 MPa，抗拉強度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．為了消除材料本身磁性對結果的影響，試驗前對工件進行了退磁處理．

工件在60 t萬能材料試驗機上，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過程中磁記憶信號Hp(y)的變化．實驗檢測采用工件帶負荷檢測方式，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的移動速度進行檢測，磁記憶檢測通道長約為100 mm．實驗檢測結果如圖7所示，它給出了各級加載后磁記憶信號Hp(y)曲線變化特征，可見，加載前，無應力集中的Hp(y)曲線平滑，無明顯突變特征;加載后Hp(y)曲線在細桿對應的兩端應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，并且在過零點的地方出現(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的變化特征．由圖7各曲線可見，Hp(y)值大小與工件所受應力大小有關，即構件所受外加載荷越大，其產生應力越大，Hp(y)值也越大．因此，磁記憶信號Hp(y)值可基本反映鐵磁性構件的受力情況．同時磁記憶信號Hp(y)曲線過零點位置就是被加載構件應力最大區(qū)域即發(fā)生頸縮的位置，這與仿真分析的結果位置基本一致．

4 結論

利用ANSYS軟件對45號鋼試件進行了仿真計算并進行模擬加載實驗，得出:對試件施加的載荷增大，其應力集中現(xiàn)象增強，在應力集中區(qū)產生漏磁場信號也增強，這也驗證了磁記憶檢測的原理，通過磁記憶信號Hp(y)過零點的位置可以較為準確有效地判定工件的應力集中區(qū)域或缺陷和損傷位置．同時，隨著試件加熱溫度升高其磁導率降低，在溫度超過試件材料的居里點時，其磁導率降至最低，磁場強度急劇降低，磁記憶信號基本消失．對鐵磁性工件進行有限元仿真分析和磁記憶檢測實驗，有利于研究工件應力分布及應力集中部位與磁場強度間的內在聯(lián)系，進一步完善磁記憶檢測的機理研究和推廣應用．

圖7 不同載荷下檢測磁記憶信號圖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

國家自然科學基金資助項目 (51179074);潘金龍集美大學學科建設基金資助項目 (C510068)

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