基于磁记忆技术的铁磁性材料早期损伤诊断方法研究博士论文.doc

博士学位论文 基于磁记忆技术的铁磁性材料早期损伤 诊断方法研究 RESEARCH ON EARLY DAMAGE DIAGNOSIS METHOD OF FERROMAGNETIC MATERIALS BASED ON MAGNETIC MEMORY TESTING TECHNIQUE 冷建成 哈尔滨工业大学 2012年6月 国内图书分类号：TG115.28 学校代码：10213 国际图书分类号：620.179.14 密级：公开 工学博士学位论文 基于磁记忆技术的铁磁性材料早期损伤 诊断方法研究 博士研究生：冷建成 导 师：张嘉钟教授 副导师：徐敏强教授 申请学位：工学博士 学科：一般力学与力学基础 所 在 单 位：航天学院 答 辩 日 期：2012年6月 授予学位单位：哈尔滨工业大学 Classified Index: TG115.28 U.D.C: 620.179.14 Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering RESEARCH ON EARLY DAMAGE DIAGNOSIS METHOD OF FERROMAGNETIC MATERIALS BASED ON MAGNETIC MEMORY TESTING TECHNIQUE Candidate： Leng Jiancheng Supervisor： Prof. Zhang Jiazhong Prof. Xu Minqiang Academic Degree Applied for： Doctor of Engineering Speciality： General Mechanics Affiliation： School of Astronautics Date of Defence： June, 2012 Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology 摘 要 - I - 摘 要 无损检测技术对于保障设备可靠运行及人身安全具有重要意义。随着现代 设备正日益向高载、高速、高温、高压的方向发展，为了防止突发性事故的发 生，早期发现引起机械结构和设备失效的各种微观缺陷和局部应力集中就显得 尤为重要，而这些在宏观裂纹或缺陷产生之前的隐性损伤对于传统的无损检测 方法来说却无能为力。新兴的金属磁记忆技术，被认为在早期损伤检测方面极 富开发潜力，但目前对铁磁构件早期损伤的磁记忆检测机理和方法还缺乏相应 的系统研究。 本文通过对金属磁记忆检测技术的研究，找到适用于铁磁性材料初期塑性 变形及早期疲劳损伤诊断的方法，以达到尽早发现构件损伤、提前预防失效的 目的。首先探讨了磁记忆技术用于应力状态和疲劳损伤检测的可行性，进而围 绕铁磁性材料早期损伤检测这一核心，从静载和疲劳拉伸试验研究、塑性范围 内的磁机械效应模型构建、面向早期疲劳损伤的磁场畸变建模等几个方面，较 系统地研究了铁磁构件早期损伤的磁记忆检测问题。具体来说，本论文主要在 以下几个方面展开了探索和研究： 基于有效场理论和接近原理，详细推导了单向应力作用下铁磁性材料的磁 机械效应模型，数值模拟了地磁场下磁化强度随应力的变化关系，表明应力致 磁场的变化是一个由初始磁状态不断向非滞后磁化强度接近的过程。通过旋转 弯曲疲劳试验，跟踪了磁信号在旋转一周不同位置的变化，发现与受检对象的 实际应力-变形状态一致；同时研究了磁记忆信号随循环次数的变化特征，表明 磁曲线与疲劳损伤之间具有相关性。 在对磁记忆技术用于早期损伤可行性研究的基础上，通过对未退磁平板试 件和退磁平板试件的静载拉伸试验，研究了加载过程中磁记忆信号的演变规律， 分别提出了识别弹塑性不同变形阶段的磁信号特征；结合接近原理，分析了不 同初始剩磁状态对应力致磁场变化的影响及原因，可为以后磁记忆检测的标准 制定提供参考。通过拉-拉疲劳试验，研究了磁记忆信号随循环周次的变化规律， 提出表征疲劳损伤的关键参量为应力集中区磁场梯度，基于建立的损伤变量模 型计算结果与动态疲劳过程中四个阶段不同损伤程度的演化规律相一致。 建立了适用于塑性变形阶段的改进的磁机械效应模型，得到磁化强度随应 变之间的变化关系。针对目前磁机械效应模型仅在弹性范围内有