孫志遠(yuǎn)

(中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080)

隨著科技的不斷進(jìn)步和社會(huì)經(jīng)濟(jì)實(shí)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(dān)負(fù)著巨大的載荷。對(duì)建筑結(jié)構(gòu)鋼材料實(shí)際受力狀態(tài)的直接測試方法成為當(dāng)代結(jié)構(gòu)健康診斷領(lǐng)域一個(gè)重要的研究課題，其研究成果極具工程應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)勢必將推動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)的整體分析水平。

本文在綜述了國內(nèi)外常用的磁學(xué)鐵磁材料檢測方法的基礎(chǔ)上，著重研究了基于磁力耦合法的建筑鋼材料應(yīng)力檢測技術(shù)。并依此為研究背景，通過理論分析、實(shí)驗(yàn)和先進(jìn)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(shí)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(xué)理論研究了應(yīng)力及雜質(zhì)對(duì)其磁疇和磁疇壁的影響機(jī)理。分析得到應(yīng)力的施加使得晶體的應(yīng)力能增大和磁化方向隨應(yīng)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(fù)雜，需要通過大量的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證對(duì)應(yīng)力檢測方法的影響范圍。闡述了利用技術(shù)磁化進(jìn)行鋼材料應(yīng)力檢測的一般規(guī)律，為建立磁力耦合關(guān)系理論模型提供了必要的理論支持。

(2) 利用Joule效應(yīng)的逆效應(yīng)證明了應(yīng)力-伸縮-磁場的變化規(guī)律。討論了在外磁場和應(yīng)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(xué)動(dòng)態(tài)平衡原理，建立了應(yīng)力對(duì)磁特性參量影響的數(shù)學(xué)模型方程，并對(duì)數(shù)學(xué)模型方程進(jìn)行解析，獲得了在不同磁場強(qiáng)度下鋼材料應(yīng)力與其相對(duì)磁導(dǎo)率變化的計(jì)算結(jié)果。

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

(4) 開發(fā)了相應(yīng)的應(yīng)力檢測系統(tǒng)樣機(jī)，對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)分析。根據(jù)不同的探頭結(jié)構(gòu)和激磁方式設(shè)計(jì)了相應(yīng)的試驗(yàn)方案，利用標(biāo)定法在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上對(duì)檢測系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行主要技術(shù)參數(shù)的校準(zhǔn)。對(duì)于該數(shù)據(jù)在進(jìn)行處理后與材料應(yīng)力關(guān)系進(jìn)行了四階曲線擬合，其相關(guān)系數(shù)都在0.98以上。并對(duì)同一材料其雜質(zhì)對(duì)檢測值的影響進(jìn)行了分析。從試驗(yàn)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(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)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(jì)算出應(yīng)力與材料磁導(dǎo)率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且得到與理論相一致的結(jié)論。最后，提出了試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)某種材料應(yīng)力值進(jìn)行標(biāo)定，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的試驗(yàn)標(biāo)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(yīng)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(diǎn)。