基于磁力效應的鋼結構全磁通應力檢測技術的理論和試驗研究.pdf

1、鋼材屬鐵磁材料，廣泛地應用于建筑、橋梁、鐵路、機械和生命線工程等領域。采用建筑鋼材建造的工程結構，在其服役期內將不可避免地產生一些損傷，從而影響結構的內力分布規(guī)律，導致其部分應力可能超限，引起局部失效，嚴重者將使整個結構倒塌。因此，研究如何直接測試結構構件實際受力狀況與損傷及材性變化的新理論和新技術，就成為當前結構健康監(jiān)測與診斷領域中—個亟待解決的研究課題，其成果將具有重要的理論意義和工程應用價值。
　　 本文以此為研究背景，通

2、過理論分析和模型試驗，系統(tǒng)地研究了鋼結構全磁通應力無損檢測技術的基本理論和應用方法，主要研究工作如下：
　　 (1)根據鐵磁學的相關理論，分析了鐵磁材料磁疇結構產生的微觀機理，并通過對磁疇結構運動變化規(guī)律，即磁疇壁移動和磁矩轉動規(guī)律的研究，分析了外磁場作用下鐵磁材料的磁化過程與—般規(guī)律，同時采用能量分析方法，研究了影響鐵磁材料磁疇運動的主要因素，包括應力、摻雜和彌散磁場等，探討了各種能量對鐵磁材料磁行為和磁參量的影響，研究了相應

3、的自發(fā)磁化理論和技術磁化理論等。
　　 （2）根據磁疇結構的運動變化方式，分析了磁致伸縮效應和逆碰致伸縮效應以及相應的產生機理，研究了外荷載產生的應力對正磁致伸縮材辯和負磁致伸縮材料磁化強度的影響，同時基于逆磁致伸縮效應，從能量極小原理入手，詳細地討論了磁化強度對應力的敏感性，說明了基于鋼材磁力效應的全磁通應力無損檢測理論和應用技術的可行性，為本文的研究提供了理論依據。
　　 （3）從鐵磁晶體的微觀機理出發(fā)，研究了內應力

4、對磁疇和磁疇壁的影響機理，討論了內應力在磁疇運動變化不同狀態(tài)下對起始磁化率的影響。通過對磁疇結構各種能量的分析，并以內應力對磁疇運動的影響機理為基礎，建立了在內應力作用下，磁疇運動變化不同狀態(tài)下起始磁化率與內應力的理論關系式，從理論上說明了基于磁力效應磁性無損檢測鋼結構構件內應力的可行性。
　　 （4）討論了鐵磁材料的各種磁力效應，如巴雷特效應，戚德曼效應和磁致彎曲效應等，并以逆磁致伸縮效應為基礎，研究了鐵磁材料的磁力學性能，改

5、進了兩種碰滯回本構模型，即改進了基于率無關的磁力滯回模型和Jiles Atherton本構模型。采用Matlab語言，編寫了求解磁滯回曲線的數值分析程序，并對其進行了數值分析，得到了鐵磁材料的各種特征參數，如殘余磁化強度和起始磁化曲線等，同時還研究了考慮磁力耦合和不考慮磁力耦合兩種情況下的主磁滯回曲線，討論了應力對主磁滯回曲線的影響，得出了Q235鋼模型試件的模擬磁滯回曲線，并與試驗結果進行了比較。
　　 (5)設計了6種共計6

6、6個Q235鋼制作的模型試驗試件，直徑分別為4mm和16mm，截面形狀為實心圓鋼和空心鋼管兩種，受力狀態(tài)為拉應力和壓應力。通過NIM-2000HF磁力耦合試驗機，分別對66個Q235空、實心圓鋼模型試件進行了磁力耦合加載加磁試驗，得出了在不同磁場和受力狀態(tài)下的磁滯回曲線與矯頑場等特征曲線，探討了外加應力對磁滯回曲線的影響規(guī)律以及外加磁場對矯頑場的影響，建立了磁化強度與外加應力之間的相關關系，確定了磁化強度應力敏感區(qū)的最優(yōu)磁場強度范圍，同

7、時還研究了模型試件的外徑和壁厚等對其磁化強度的影響，探討了試件尺寸等對其磁化強度影響的一般規(guī)律。
　　 (6)根據鐵磁材料的磁化強度對外加應力敏感這一特性，從能量極小原理出發(fā)，建立了鐵碰材料的碰感應強度和磁通量等磁特性與其外加應力之間的磁力學率構模型，該模型可以較好地反映鐵磁材料磁力學本構關系的主要特征。同時，還從熱力學的角度出發(fā)，建立了鐵磁材料的磁力耦合方程，得出了相應的磁通量增量與其應力增量之間的本構關系。應用自編的計算機分

8、析程序，對所提磁力學本構方程進行了數值模擬分析，并且與試驗結果進行了比較，兩者吻合較好。
　　 理論和試驗研究結果均表明，鐵磁材料的磁疇結構決定著其磁力學性能，外加磁場和外加應力均是碰疇壁移動的動力，而內應力等則是影響其磁疇壁移動的阻力，鐵磁材料在外加磁場和外加應力的共同作用下，其磁特性與碰致伸縮系數有著密切的聯(lián)系，并且在去磁狀態(tài)下，外加應力就可引起磁疇的疇壁移動，當外加磁場確定時，如果給鐵磁材料施加外應力，則外加應力將改變材料

9、的磁化強度，而磁化強度的改變必將導致其磁通量發(fā)生變化，因此可通過測試材料磁通量的變化來判斷其實際受力狀況。此外，研究結果還表明，磁滯回曲線對外加應力比較敏感，各模型試件均具有各自的磁化強度應力敏感區(qū)，其特征主要是應力敏感區(qū)的磁化強度和磁通量都隨拉應力的增大而增大，都隨壓應力的增大而減小，而且其變化規(guī)律具有較好的線性性質。同時，模型試件的直徑越大，其磁化強度應力敏感區(qū)的范圍也越大，并且在最優(yōu)磁場強度作用下，試件對外加應力的變化最為敏感，因