金属构件磁记忆检测效果的有限元仿真与实验

廖建彬，周海峰

(集美大学轮机工程学院，福建厦门361021)

金属构件磁记忆检测效果的有限元仿真与实验

廖建彬，周海峰

(集美大学轮机工程学院，福建厦门361021)

为确定金属磁记忆检测的影响因素，对金属磁记忆检测机理及电磁有限元进行了理论分析，利用ANSYS有限元分析软件模拟并分析了试件所受拉伸载荷的大小、试件温度对磁记忆检测效果的影响．同时，以45号钢杆件为例，进行拉伸加载实验，并与仿真结果对比，验证了仿真结果的可行性．

金属构件;磁记忆检测;影响因素;ANSYS;仿真

0 引言

现代工业领域中设备的损坏80%以上为疲劳破坏［1］．金属磁记忆检测技术 (MMMT)借助天然地磁场作用，利用铁磁性构件应力集中区及其内部缺陷对磁作用的特殊反应机制［2－5］，即利用已有缺陷或缺陷形成之前的微区变化在地磁场作用下发出变化磁场信息的特性，间接地判断铁磁工件的应力集中区或缺陷［6－7］，利用该技术可以对铁磁性工件进行寿命评估．目前对于磁记忆检测技术的研究主要集中于应用方面，对金属磁记忆检测效果的研究不多，笔者采用仿真和实验结合的方式对金属磁记忆检测效果的影响因素进行了分析．

1 电磁有限元分析

1.1 电磁场的有限元分析及定解条件

电磁场偏微分方程的定解条件包含待求场函数的初始条件和边界条件．1)初始条件:待求场函数初始瞬间其场域各处的值及其场函数对时间的变化率．2)边界条件:待求场函数在场域边界上的边值．3)衔接条件:由于不同物理性质的介质组成电磁场所求解的场域，对于不同介质的分界面，场量E(电场强度)、H(磁场强度)、B(磁感应强度)和D(电通量密度)的物理状态变化是不连续的［9］．在ANSYS电磁场分析中，其衔接条件自动满足．

1.2 应力—磁场的耦合

材料组织本身的缺陷或不均匀性在机械应力作用下将导致材料磁导率分布的不均匀性，进而在外界地磁场的作用下产生漏磁场，磁导率的不均匀程度决定了漏磁场的大小［10］．铁磁性工件在弱磁场条件下力磁耦合的模型［11］:式中:μ为施加应力后的磁导率;μT为未施加应力的初始磁导率;b为材料本身性质相关常数;a0、a1、m、n为系数，与应力值和载荷方向有关．

采用ANSYS有限元软件进行仿真分析，利用间接式的顺序耦合法，通过力—磁耦合模型计算构件应力对磁导率的影响，然后对模拟构件的磁导率赋值，考虑外载荷和天然地磁场的共同作用，对铁磁构件的力—磁效应进行数值模拟，即先分级对试件进行拉伸应力分析，将拉伸运算得出的结果进行磁分析，得出最终运算结果，其单次流程图如图1所示．

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

2 基于ANSYS的磁记忆检测效果分析

由文献［12］可知，对于承受载荷的铁磁性构件，在其被检测的△Z长度段上的漏磁场Hp的变化与机械应力Δσ各向异性的关系为:Hp=(λH/μ0)Δσ，其中:λH为压磁系数;Δσ为外力的变化;μ0为真空磁导率．该式可以确定△Z段上的应力Δσ水平．

2.1 基于ANSYS的金属构件的受力状态有限元分析

有限元分析模拟试验杆件外形及尺寸如图2所示，利用ANSYS软件仿真计算分析，得到的模拟工件施加拉伸载荷后表面应力分布结果如图3，即加载后工件的两端变直径的地方应力最大，由于应力严重集中，在持续拉伸载荷作用下该处将首先出现颈缩，产生损伤并最终断裂破坏．

2.2 基于ANSYS的金属构件的应力对磁记忆信号的影响

有限元分析结果表明，在拉应力作用下，工件细杆对应的两端变直径地方应力集中严重，磁信号的差异即体现了应力集中程度不同对磁信号的影响．图4、图5分别给出了加载前和加载至颈缩后磁场强度矢量图，局部放大图的箭头密度体现出该处的漏磁场强度．在地磁场作用下工件加载前基本没有应力集中，磁信号平行通过试件，且磁记忆信号较弱，如图4所示;对杆件进行模拟施加逐渐增大的拉伸载荷，当载荷高于40 kN时工件产生颈缩，可以看到试件磁记忆信号增强并在颈缩处发生较大溢出，如图5所示．可见，随着拉伸载荷增大，拉应力也逐渐增大，应力集中越来越严重，在应力集中的地方 (发生颈缩处)磁信号增强，最终发生溢出，形成了漏磁场．

图2 模拟试件尺寸示意图Fig.2 The simulation specimen size scheme

图3 试件加载后表面应力分布图Fig.3 The surface stress distribution of the loaded specimen

图4 加载前磁场强度矢量图Fig.4 The magnetic field intensity vectorgraph of unloaded

图5 试件加载颈缩后磁场强度矢量图Fig.5 The magnetic field intensity vectorgraph of the loaded necking specimen

2.3 基于ANSYS的金属构件的温度对磁信号的影响

铁磁性材料在外磁场中会被强烈地磁化，顺磁性材料在外磁场中，只能微弱地被磁化，抗磁性材料能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用．本文模拟试件的材料为45号钢，属于铁磁性材料，当温度升高到一定数值时，磁畴被破坏，变为顺磁体，这个转变温度称为居里点，如铁的居里点是770℃，45号钢的居里点大约是750℃．45号钢的相对磁导率与温度的关系如表1所示．

表1 45号钢的相对磁导率与温度的关系［13］Tab.1 The relation between velative prermeability and temperature of 45#carbon steel

由表1可见，随着试件加热温度升高，其相对磁导率逐渐减小，当45号钢试件温度超过760℃时，其相对磁导率为1，由于相对磁导率为磁导率μ与真空磁导率μ0的比值，因此此时材料的磁导率为真空磁导率．利用ANSYS软件，让试件模拟加热到800℃时其磁场强度矢量图如图6所示，由于超过材料的居里点其磁导率下降，由图6中放大部分可以看出其磁场强度显著下降 (磁力线急剧减少)，漏磁场基本消失．

图6 试件加热到800℃时磁场强度矢量图Fig.6 The magnetic field intensity vectorgraph of the 800℃heated specimen

3 不同载荷下金属构件磁记忆检测实验

实验材料采用45号钢，试件规格尺寸如图3所示，材料的弹性模量E=201 000 Mpa，切变模量G=80 000 MPa，屈服强度420 MPa，抗拉强度598 MPa，泊松比0.28［14］．将试件一端固定，另一端施加沿轴线方向的均布拉力，载荷大小可调．为了消除材料本身磁性对结果的影响，试验前对工件进行了退磁处理．

工件在60 t万能材料试验机上，选用不同的两种载荷从空载加载到出现颈缩现象，试件从200 mm伸长至226 mm，直径缩小至8.8 mm．磁记忆检测跟踪拉伸工件整个过程中磁记忆信号Hp(y)的变化．实验检测采用工件带负荷检测方式，磁记忆检测传感器沿试件轴向，以大约1 cm提离高度和1 cm/s的移动速度进行检测，磁记忆检测通道长约为100 mm．实验检测结果如图7所示，它给出了各级加载后磁记忆信号Hp(y)曲线变化特征，可见，加载前，无应力集中的Hp(y)曲线平滑，无明显突变特征;加载后Hp(y)曲线在细杆对应的两端应力集中处突变程度显著增加，并且Hp(y)曲线均出现过零点，并且在过零点的地方出现颈缩，如图8所示．

图7给出了漏磁场法向分量Hp(y)值的变化特征，即表征了磁记忆信号的变化特征．由图7各曲线可见，Hp(y)值大小与工件所受应力大小有关，即构件所受外加载荷越大，其产生应力越大，Hp(y)值也越大．因此，磁记忆信号Hp(y)值可基本反映铁磁性构件的受力情况．同时磁记忆信号Hp(y)曲线过零点位置就是被加载构件应力最大区域即发生颈缩的位置，这与仿真分析的结果位置基本一致．

4 结论

利用ANSYS软件对45号钢试件进行了仿真计算并进行模拟加载实验，得出:对试件施加的载荷增大，其应力集中现象增强，在应力集中区产生漏磁场信号也增强，这也验证了磁记忆检测的原理，通过磁记忆信号Hp(y)过零点的位置可以较为准确有效地判定工件的应力集中区域或缺陷和损伤位置．同时，随着试件加热温度升高其磁导率降低，在温度超过试件材料的居里点时，其磁导率降至最低，磁场强度急剧降低，磁记忆信号基本消失．对铁磁性工件进行有限元仿真分析和磁记忆检测实验，有利于研究工件应力分布及应力集中部位与磁场强度间的内在联系，进一步完善磁记忆检测的机理研究和推广应用．

图7 不同载荷下检测磁记忆信号图Fig.7 Graph of magnetic memory signal in variable load

图8 加载颈缩的试件图Fig.8 loaded and necking specimen

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(责任编辑 陈 敏 英文审校 陈扼西)

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

国家自然科学基金资助项目 (51179074);潘金龙集美大学学科建设基金资助项目 (C510068)

廖建彬 (1976—)，男，讲师，硕士，从事现代轮机管理工程研究．