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        溫度對金屬磁記憶檢測的影響

        2018-12-28 05:43:18,,,
        無損檢測 2018年12期
        關(guān)鍵詞:磁場有限元記憶

        ,,,

        (南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南昌 330063)

        目前對磁記憶檢測的影響因素的研究,主要有以下幾個(gè)方面[1-4]:通過改變拉伸速率,研究不同的拉伸速率對磁記憶檢測信號分布狀態(tài)的影響;通過改變材料的應(yīng)力狀態(tài),研究應(yīng)力對漏磁場大小的影響,且通過應(yīng)力的改變,分析其對磁疇組織的影響,以此研究磁記憶效應(yīng)的變化;通過改變測量磁場時(shí)的提離值來研究提離值對磁記憶信號的影響,以及通過改變測量路徑研究不同測距對磁記憶信號的影響等。這些磁記憶檢測的影響因素都是在常溫下進(jìn)行研究的,溫度變化對磁記憶信號造成的影響并沒有考慮[5-8],因此,筆者通過建立典型試樣仿真模型,施加不同的溫度進(jìn)行ANSYS有限元仿真,來研究溫度的改變對磁記憶檢測的影響。

        1 試驗(yàn)方案

        以鐵磁性材料20鋼、45鋼、12Cr1MoV為研究對象,基于熱力耦合效應(yīng)和力磁耦合效應(yīng),建立三維有限元仿真模型,并對其加載求解,得到其應(yīng)力狀態(tài)分布和磁記憶檢測信號的分布結(jié)果,然后對仿真結(jié)果進(jìn)行分析,以此來探討改變溫度時(shí)不同材料的磁記憶檢測信號的變化規(guī)律。20鋼、45鋼、12Cr1MoV的主要成分以及不同溫度下的性能如表1~4所示。表1~3中的化學(xué)成分百分比為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

        表1 20鋼的主要性能參數(shù)

        表2 45鋼的主要性能參數(shù)

        表3 12Cr1MoV鋼的化學(xué)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

        表4 12Cr1MoV在不同溫度下的力學(xué)性能

        文章所仿真的試樣模型的形狀為中心含小孔的平板,其尺寸如圖1所示(圖中δ表示厚度)。

        圖1 中心含圓孔的平板試樣尺寸示意

        首先建立熱力耦合的試樣ANSYS有限元模型,并對其施加不同的溫度載荷,得出不同溫度下試樣的應(yīng)力分布結(jié)果;將應(yīng)力分布結(jié)果導(dǎo)入另一個(gè)力磁耦合的試樣有限元模型,再對該模型施加拉伸載荷并求解;根據(jù)求得的應(yīng)力分布結(jié)果修改材料屬性,并對其施加地磁場;最后再進(jìn)行求解,得出模型在圓孔附近的磁場分布情況。

        2 試樣的有限元仿真

        2.1 熱力耦合單元的有限元仿真

        首先對12Cr1MoV材料進(jìn)行ANSYS有限元仿真。為了對模型施加不同的溫度,在建立試樣模型時(shí),采用的是Solid45單元。該單元可用來構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu),并且每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有3個(gè)沿著x,y,z方向平移的自由度。

        選好結(jié)構(gòu)單元之后,定義模型的材料屬性,建模并劃分網(wǎng)格。由于模型是軸對稱模型,為了節(jié)約計(jì)算資源,提高計(jì)算效率,僅建立一半的試樣模型。建立的仿真模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示。

        圖2 試樣模型及網(wǎng)格劃分

        在劃分好網(wǎng)格之后,對模型施加不同的溫度載荷,模型最外圍設(shè)置為絕熱邊界條件,然后進(jìn)行求解計(jì)算。計(jì)算完成之后通過Element Switch命令將熱單元轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)單元,并施加大小為240 MPa的拉伸載荷。因?yàn)椴豢紤]拉伸載荷對磁場強(qiáng)度的影響,所以對模型施加一個(gè)固定不變的拉伸載荷。然后,將前面熱分析計(jì)算得到的結(jié)果施加在結(jié)構(gòu)分析單元上,再進(jìn)行熱力耦合計(jì)算,得到試樣的應(yīng)力分布結(jié)果如圖3所示。

        由圖3可以看出,在只考慮熱力耦合,不考慮磁場及磁導(dǎo)率的情況下,當(dāng)對試樣施加的溫度逐漸升高時(shí),試樣在圓孔附近的應(yīng)力也隨之增大,并且應(yīng)力集中程度也越來越高。

        圖3 不同溫度下的試樣應(yīng)力分布結(jié)果

        圖4 地磁場模型示意

        2.2 力磁耦合單元的有限元模型建立

        建立如圖4所示的地磁場模型,由于磁記憶檢測的環(huán)境磁場為地磁場,因此需要給模型施加一個(gè)類似于地磁場的環(huán)境磁場。模型由兩塊永磁體和一塊銜鐵組成,外圍是空氣層。模型最外圍設(shè)置為平行邊界條件。模型外圍的空氣層的相對磁導(dǎo)率為1,矯頑力為0;永磁體相對磁導(dǎo)率為1.075 9,矯頑力為56 A·m-1;銜鐵的相對磁導(dǎo)率為1 840。由于地磁場在一定空間范圍內(nèi)的變化幾乎可以忽略不計(jì),因此為了使模型周圍的磁場強(qiáng)度比較平均,永磁體相對試樣的大小設(shè)置得非常大,尺寸(長×寬×厚)為100 mm×100 mm×10 mm,兩個(gè)永磁體的間距為100 mm。這樣地磁場、空氣層和試樣的三維力磁耦合模型已建立好。力磁耦合模型采用的是Solid98的三維十節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)體單元。

        2.3 加載和求解

        定義好材料參數(shù)后,保持試樣的網(wǎng)格劃分不變,將熱力耦合單元得到的應(yīng)力分布結(jié)果導(dǎo)入到該單元中,再對試樣模型施加地磁場,并對地磁場進(jìn)行網(wǎng)格劃分后進(jìn)行求解,最后得到試樣模型表面的磁場強(qiáng)度分布規(guī)律。

        由于所研究的是不同溫度時(shí),在地磁場與載荷造成的應(yīng)力集中共同作用下試樣材料表面的磁場強(qiáng)度的分布規(guī)律,因此提取φ2 mm圓孔附近50 mm的范圍作為磁場的測量路徑,提離高度為1 mm。

        為了更有效更直觀地分析仿真結(jié)果,將得到的磁記憶信號的分布情況導(dǎo)出到MATLAB軟件中進(jìn)行繪圖,其中缺陷處為測量點(diǎn)位置的20 mm處,得到的結(jié)果如圖5(a)所示。

        圖5 不同溫度下三種材料試樣缺陷處的磁場強(qiáng)度

        為了研究不同材料對磁記憶檢測的影響,將試樣的材料換成20鋼和45鋼,重復(fù)以上的仿真步驟,分別得到20鋼和45鋼在不同溫度下的磁場強(qiáng)度分布規(guī)律曲線,如圖5(b),(c)所示。

        2.4 結(jié)果分析

        (1) 在不考慮其他條件,改變加載的溫度時(shí),鐵磁材料試樣的應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力值發(fā)生相應(yīng)的改變,其趨勢是隨著溫度的升高,試樣內(nèi)部的應(yīng)力也隨之增大,并且在缺陷處的應(yīng)力集中程度也隨之升高。

        (2) 當(dāng)溫度升高時(shí),材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,使得鐵磁性材料的屈服強(qiáng)度下降,導(dǎo)致試樣應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力集中程度增加。因此應(yīng)力集中區(qū)域表面磁記憶信號的峰峰值增大。但是,在一定溫度范圍內(nèi)時(shí),磁記憶信號的峰峰值大小很接近。

        (3) 當(dāng)溫度升高到材料的居里點(diǎn)附近時(shí),材料的磁導(dǎo)率急劇下降,導(dǎo)致材料的磁阻急劇變大,因此應(yīng)力集中區(qū)域的漏磁場強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)急劇增大。此時(shí),在應(yīng)力集中區(qū)域的漏磁場峰峰值也會(huì)急劇增大。

        (4) 不同的鐵磁性材料試樣在應(yīng)力集中區(qū)域表面的漏磁場變化規(guī)律基本沒有發(fā)生變化,磁記憶信號都是在該部位出現(xiàn)極值,材料種類的不同對磁記憶信號的影響僅僅體現(xiàn)在磁記憶信號大小的不同上,同時(shí),當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí),由于不同材料的磁導(dǎo)率不同,居里溫度也不同,因此發(fā)生漏磁場的突變點(diǎn)以及磁場強(qiáng)度峰峰值的突變點(diǎn)都是處于居里點(diǎn)附近。

        3 結(jié)論

        為了研究不同溫度對磁記憶檢測信號的影響,對帶有典型缺陷(中心含小孔)的3種不同材料的試樣進(jìn)行了仿真研究。結(jié)果表明:當(dāng)其他條件一定,只改變加載的溫度時(shí),隨著溫度升高,試樣的應(yīng)力集中程度也隨之增高;施加磁場后,當(dāng)溫度在一定范圍內(nèi)變化時(shí),磁記憶信號并沒有發(fā)生很明顯的變化,但是,當(dāng)溫度接近試樣材料的居里溫度時(shí),由于材料的磁導(dǎo)率急劇下降,磁阻急劇上升,應(yīng)力集中區(qū)域的漏磁場峰峰值會(huì)急劇增大;此外,當(dāng)試樣材料不同時(shí),不同材料在溫度發(fā)生變化時(shí)對磁記憶信號影響的規(guī)律是基本相同的,不同的只是磁記憶信號峰峰值的大小和居里溫度的不同而導(dǎo)致應(yīng)力集中區(qū)域的漏磁場峰峰值發(fā)生突變的點(diǎn)不同。后續(xù)將通過試驗(yàn)對仿真結(jié)果的正確性進(jìn)行驗(yàn)證和分析。

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