【正文】 磁場條件下的檢測模型進(jìn)行分析。表51 不同缺陷寬度下的Bx和By值缺陷寬度（m） Bx峰峰值（T） By波峰值（T） 由表51可以看出，缺陷的寬度影響了Bx值，隨著缺陷寬度的增加，Bx 也隨之增加。圖51 *在缺陷處可以明顯地看到漏磁，經(jīng)過定義路徑后，得出的徑向方向磁通密度曲線和軸向方向磁通密度曲線如圖52和圖53。第5章 強(qiáng)磁場應(yīng)力檢測模型的有限元分析本文中的缺陷為長方形，因此寬度和深度是缺陷尺寸的基本特征。圖47 徑向方向磁通密度曲線圖48 軸向方向磁通密度曲線如圖47，缺陷處徑向方向的磁通密度有兩個波峰（一正一負(fù)），產(chǎn)生這樣的波形的原因在于：缺陷的磁阻遠(yuǎn)大于其他部位，阻礙了磁通的傳播，磁通會繞過缺陷繼續(xù)傳播，這其中有較少部分的磁通會漏出被測鐵磁材料構(gòu)件，經(jīng)過空氣繞過缺陷再進(jìn)入被測鐵磁材料構(gòu)件，并且在缺陷的邊緣處磁通量最大，又由于缺陷的兩個邊緣磁通方向相反，故存在兩個方向相反的波峰。本文利用路徑操作得出缺陷處Bx和By的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。求解后可以查看求解結(jié)果（utility main menu – plot result）。本文中空氣的相對磁導(dǎo)率設(shè)置為1，被測鐵磁材料構(gòu)件選用Q235型號，永磁體采用N38型號，缺陷的相對磁導(dǎo)率設(shè)置為1。本文對漏磁場的有限元分析是二維的靜態(tài)的磁場分析，常用的二維單元主要有二維實(shí)體單元和遠(yuǎn)場單元。（1）前處理確定坐標(biāo)系：（utility work plane local coordinatesystems creat local cs – at specified loc）在ansys中，坐標(biāo)系用來定義模型的結(jié)構(gòu)、位置、節(jié)點(diǎn)等屬性。圖44為靜態(tài)情況下漏磁X和Y方向分量，可以分析出這兩個分量的基本特性。則有：(41)(42)式中：B1n和B2n表示磁感應(yīng)強(qiáng)度B的兩個分量，H1t和H2t表示磁場強(qiáng)度H的兩個分量。永磁鐵氧體成本低廉，電阻率高、矯頑力大，能有效地應(yīng)用在大氣隙磁路中，是本次實(shí)驗(yàn)中選用的永磁材料。為了使被測鐵磁材料產(chǎn)生漏磁場，在其表面安裝編號3的永磁體和編號4的軛鐵對其磁化，鐵磁材料缺陷處的磁力線會發(fā)生形變，漏磁場用編號5的磁敏傳感器檢測，進(jìn)而得出缺陷的分布。該模型在Ansys軟件建模中，以各點(diǎn)坐標(biāo)的形式表現(xiàn)出來，故確定各個構(gòu)件的坐標(biāo)即可確定它們的尺寸。有限元分析是將一個連續(xù)的整體分割成多個有限數(shù)目的、獨(dú)立的、有各自屬性而又相互聯(lián)系的單元來進(jìn)行分析的方法。圖34鎳多晶BH曲線前面的內(nèi)容已經(jīng)指出，應(yīng)力的存在使鐵磁材料的磁疇和磁疇壁運(yùn)動，進(jìn)而使磁性發(fā)生改變。圖31逆磁致伸縮逆效應(yīng)示意雖然一般的鐵磁材料的磁致伸縮系數(shù)很?。?06 數(shù)量級），但在逆磁致伸縮逆效應(yīng)中，應(yīng)力對其磁性的影響卻非常大[9,12]。小結(jié)：應(yīng)力對磁疇和磁壁的影響都是使其按照一定方向磁化和運(yùn)動，并發(fā)生逆磁致伸縮形變。磁壁的厚度和表面能的特性是由磁疇內(nèi)部磁矩轉(zhuǎn)動方向決定的，并且它對磁疇結(jié)構(gòu)和磁性的變化起著非常重要的作用。當(dāng)λs 0時，θ取0或者π都將使Eσ 最小。工程中所大量使用的鐵磁材料因受到應(yīng)力作用易發(fā)生損壞，若能將應(yīng)力與鐵磁材料的磁性建立起一定的關(guān)系，將會對弱磁應(yīng)力檢測提供可靠的理論基礎(chǔ)[9,12]。只有再施加一定數(shù)值的相反方向的外磁場，鐵磁材料才會恢復(fù)到磁中性狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為磁滯。第四步：如圖24④，磁化趨于飽和，磁化強(qiáng)度的增量極小，這是由于外磁場的增加導(dǎo)致上一步可逆的磁疇轉(zhuǎn)動大于不可逆的磁疇轉(zhuǎn)動造成的。如圖24③和圖25（c），隨著上一步的進(jìn)行和外磁場的繼續(xù)增加，磁壁的平移結(jié)束。圖24 磁化曲線過程（a）磁化開端（b）磁疇平移（c） 磁疇的轉(zhuǎn)動圖25 磁化階段的磁疇第二步：不可逆的過程。（a）順磁材料 （b）鐵磁材料（c）反鐵材料 （d）亞鐵材料圖22 磁疇內(nèi)部磁矩的排列（a）無外磁場、無應(yīng)力 （b）無外磁場、有壓力（c）無外磁場、有拉力 （d）有外磁場、有拉力 HH（e）有外磁場、有壓力 （f）有外磁場、無應(yīng)力圖23 不同情況下的磁疇結(jié)構(gòu)工程中使用的鐵磁材料種類繁多，但它們的內(nèi)部都具有磁疇結(jié)構(gòu)，區(qū)別在于它們的磁疇結(jié)構(gòu)和磁化過程中的運(yùn)動方式不同（即鐵磁材料的磁化曲線以及磁滯回線不同）[11]。鐵磁材料具有自發(fā)磁化的過程，其結(jié)果是使材料的磁矩朝著同一方向排列，這些磁矩同向排列的區(qū)域被稱作磁疇。造成物質(zhì)順磁性的原因在于原子內(nèi)電子數(shù)目較少，存在產(chǎn)生順磁效應(yīng)的原子或離子磁矩，掩蓋了抗磁性而表現(xiàn)出順磁性[9]。產(chǎn)生抗磁性的原因在于圍繞軌道運(yùn)動的電子在外磁場影響下受到洛倫茲力作用，使其運(yùn)動狀態(tài)又附加了一個與外磁場方向相反的轉(zhuǎn)動的運(yùn)動（拉莫爾運(yùn)動）[7]，即抗磁效應(yīng)。AB和CD邊受力為： (23) (24)假定該線圈為剛體，則BC和DA邊上的受力為： (25)FBC和FDA為大小相等方向相反、不在同一直線上的兩個力，將會導(dǎo)致線圈繞OO’旋轉(zhuǎn)，使向著方向旋轉(zhuǎn)，磁力矩為： (26) (27)式中S為線圈面積（）,定義，則： (28)聯(lián)立（21）和（28）即為軌道磁矩的表達(dá)式。（1）軌道磁矩：假設(shè)電子是圍繞如圖21所示的軌道運(yùn)動的，那么在該軌道的封閉回路中的電流為： (21) 式中：：e為電子電荷，T為電子運(yùn)動周期。（5）對弱磁場環(huán)境下的應(yīng)力檢測模型進(jìn)行有限元分析，得出缺陷寬度和深度對徑向和軸向磁通密度分布的影響。（1）從磁矩、磁疇的角度闡述鐵磁材料磁性的產(chǎn)生過程，對磁性材料進(jìn)行分類。 （a）TSC1M4漏磁檢測儀 （b）EMS2003magnetic漏磁檢測儀圖15 兩種漏磁檢測儀在漏磁檢測技術(shù)中，為了能夠更好地檢測到缺陷處的漏磁場，往往在磁激勵時，將被測鐵磁材料磁化到磁飽和狀態(tài)，以達(dá)到保證漏磁場具有一定強(qiáng)度和穩(wěn)定性的目的。（4）適用范圍受到限制。（2）能夠?qū)θ毕荽笮∵M(jìn)行評估。在被測鐵磁材料外部施加弱磁場的情況下，鐵磁材料會被磁化，在達(dá)到磁飽和狀態(tài)時，在由于應(yīng)力作用而產(chǎn)生的缺陷處，由于逆磁致伸縮逆效應(yīng)導(dǎo)致材料磁性的改變，宏觀上表現(xiàn)出磁力線的形變，材料表面會產(chǎn)生漏磁場[3]。由于無損檢測法是檢測被測構(gòu)件材料所具有的物理性質(zhì)，并通過材料的物理性質(zhì)與應(yīng)力之間的關(guān)系來反應(yīng)應(yīng)力的大小和分布，對材料的性能和壽命進(jìn)行評估的方法，它可以彌補(bǔ)有損檢測法在工程使用中的不足。早在上世紀(jì)30年代起，對應(yīng)力檢測技術(shù)的研究就已進(jìn)入了人們的視線，經(jīng)過數(shù)十年的探究，應(yīng)力檢測技術(shù)已發(fā)展成可面向各種材料、各種使用環(huán)境等特點(diǎn)的多種測量方法[3]。在逆磁致伸縮逆效應(yīng)中，由于磁疇轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的磁極，會在材料表明形成漏磁場。而如果能夠及時準(zhǔn)確地檢測到材料的應(yīng)力分布，就可以盡早地對應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行材料結(jié)構(gòu)的改造，既能避免重大事故的發(fā)生，又可以增長材料的使用壽命，具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會效益[1]。特別是在大型建筑中，過多的缺陷的存在會加速材料的老化，導(dǎo)致材料的宏觀上的損壞，發(fā)生危險[1]。內(nèi)外缺陷徑向磁通密度峰值在25%到40%深度的范圍內(nèi)，呈現(xiàn)出的趨勢相反；軸向磁通密度曲線基本重合，其峰值隨著缺陷深度的增加而增加的近似線性的關(guān)系。本文闡述了鐵磁材料的逆磁致伸縮效應(yīng)，提出了鐵磁材料漏磁場的應(yīng)力檢測方法以及傳感器結(jié)構(gòu)。鐵磁材料在受到應(yīng)力作用時，內(nèi)部的磁性（磁阻和磁導(dǎo)率）會發(fā)生相應(yīng)的變化，并產(chǎn)生漏磁場，利用專用的傳感器對其漏磁進(jìn)行檢測，并進(jìn)行進(jìn)一步處理便可早期發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)。. . . .. .密級：公開 弱磁應(yīng)力檢測模型的有限元分析Finite Element Analysis for Weak Magnetic Stress Detection Model學(xué) 院： 信息科學(xué)與工程學(xué)院專 業(yè) 班 級： 電子科學(xué)與技術(shù)0902班學(xué) 號： 090403051學(xué) 生 姓 名： 張 威指 導(dǎo) 教 師： 劉 斌 （講師）2013年 06月 學(xué)習(xí)好幫手摘 要隨著世界工業(yè)的迅猛發(fā)展，鋼架等鐵磁性材料越來越廣泛地應(yīng)用在各行各業(yè)?；阼F磁材料構(gòu)件漏磁場對鐵磁材料應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行檢測是一種無損的弱磁應(yīng)力檢測方法。在有限元分析中，物理系統(tǒng)被分解成多個簡單、獨(dú)立、相互聯(lián)系的模型。弱磁條件下檢測出的缺陷寬度偏小，徑向和軸向磁通密度都會隨著缺陷寬度的增加而增加。而在鐵磁材料的制造和使用的過程中，應(yīng)力不可避免地存在于其中，是材料形成缺陷。如圖13和圖14，2012年12月16日，浙江省寧波市江東區(qū)一幢居民樓坍塌[2]，雖經(jīng)社區(qū)和警務(wù)人員緊急疏散，但仍造成了2人死亡的事故，圖14 寧波居民樓坍塌現(xiàn)場其原因是樓體底層承重鋼筋受潮、風(fēng)化導(dǎo)致墻體強(qiáng)度不足。這種因受到應(yīng)力而產(chǎn)生的磁疇結(jié)構(gòu)的變化，導(dǎo)致鐵磁材料磁性（磁阻和磁導(dǎo)率）發(fā)生相應(yīng)的變化的現(xiàn)象被稱為“逆磁致伸縮效應(yīng)”。弱磁應(yīng)力檢測是一