论文题目: 钢结构磁力耦合应力检测基本理论及应用技术研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 结构工程
作者: 王威
导师: 苏三庆,王社良
关键词: 钢结构,磁力耦合,应力,磁导率,检测
文献来源: 西安建筑科技大学
发表年度: 2005
论文摘要: 本文从一个新的角度,即以铁磁材料的磁特性和应力耦合关系为核心,研究钢结构构件应力检测问题,目的在于解决钢结构磁力耦合应力检测所涉及的基本原理、理论依据、磁力学模型、应用技术、实现的关键技术等问题,从而把这种“磁”法检测技术应用到钢结构工程的应力检测中来。研究得到以下结论: (1) 依据铁磁学基础理论分析了应力对磁畴及磁畴壁的影响机理,指出了应力的存在改变了磁畴的结构,引起了畴壁的移动和磁畴磁矩的转动,使得畴壁能以及畴壁厚度发生了改变,从而使铁磁材料的磁特性发生了改变,其技术磁比曲线在不同应力下呈现出不同的特征。通过测试铁磁材料磁特性的变化,可以测出构件的应力。指明了实施土木建筑钢结构应力检测的关键在于解决应力对钢构件磁参量的影响关系,即建立钢结构材料磁力效应本构关系。 (2) 对钢结构材料磁力学模型进行研究,提出了钢结构拉压杆磁力耦合本构关系表达式,该本构关系揭示了钢结构受力构件的磁性变化与应力之间的函数关系,可反映磁力特性的传递函数关系。 (3) 在磁力耦合场隋况下提出了耦合参数A,该参数考虑了力磁耦合作用,并在试验的基础上,采用正交试验的数值回归分析方法,得到了耦合场参数经验公式。显著性分析表明,应力对耦合参数A的影响比外磁场大,这对钢结构拉压杆磁力耦合本构关系的简化与应用非常有意义。 (4) 针对建筑钢结构中常用的Q235钢拉压杆试件进行了磁力耦合试验研究,寻找出了应力对Q235钢磁滞回线影响的变化规律,建立了不同外磁场下Q235钢拉压杆应力与磁导率关系试验结果图。确定出了最佳的测试激励外磁场区间。Q235钢拉压杆的磁导率受应力和外磁场两个参数变化的影响,根据试验数据结果,采用正交试验的数值回归分析方法,得到了磁导率随应力和外磁场两个变量的双参数回归计算公式,由该回归公式的计算结果,建立了磁导率随应力和外磁场变化而变化的三维对应关系图。显著性分析表明,外磁场变化对磁导率的影响比应力大。计算结果与试验结果吻合较好。 (5) 使用理论建立的本构关系,代入耦合场参数,得到了不同外磁场和不同应力下的H-B关系模型,用ANSYS有限元程序进行计算。通过设定跑道型线圈,设定线圈匝数,由线圈通电流产生磁场,钢杆件置于感生磁场中被磁化加载的计算方法,得到了不同外磁场和不同应力条件下的磁导率计算结果。分析了不同的线圈匝数产生的外磁场的大小,计算表明在试件条件下线圈8000匝时的感生磁场已经容纳了最佳的测试外磁场区间。分析比较表明,理论计算、试验结果与有限元计算得到的应力对磁导率影响的变化规律一致,数据符合较好,说明采用这种有限元计算的方法是可行的。在确定本构关系的条件下,采用这种模拟计算方法,计算结果可
论文目录:
摘要
Abstract
目录
第1章 绪论
1.1 引言
1.1.1 磁性的起源
1.1.2 磁性的分类
1.1.3 铁磁材料的分类
1.1.4 铁磁材料的畴结构
1.1.5 若干磁力效应及超磁致伸缩材料应用简介
1.2 目前国内外磁力耦合问题的研究现状
1.3 目前钢铁材料结构构件应力检测研究现状
1.3.1 有损应力检测法
1.3.2 无损应力检测法
1.4 钢结构磁力耦合应力检测问题的提出及意义
1.5 本文的主要研究内容
第2章 钢结构磁力耦合应力检测的基础理论
2.1 铁磁晶体内的相互作用能
2.1.1 交换作用能、外磁场能和退磁场能
2.1.2 磁晶各向异性能
2.1.3 磁性与弹性的相互作用能(磁弹性能和应力能)
2.2 磁畴及磁畴壁
2.2.1 铁磁晶体内磁畴的形成
2.2.2 磁畴壁
2.2.3 铁磁材料的磁化过程
2.3 影响磁畴运动的因素
2.4 应力对磁畴壁的影响
2.5 本章小结
第3章 钢结构磁力耦合本构关系的研究
3.1 受力钢结构构件相对磁导率变化与应力关系的磁力学模型
3.1.1 磁力学模型的建立
3.1.2 应力列磁导率的影响分析
3.2 应力对起始磁化率的影响关系
3.2.1 应力能
3.2.2 由应力各向异性决定的可逆磁化矢量转动过程
3.3 单向应力状态下磁应变的分离
3.3.1 应力与外磁场同方向时的磁弹耦合影响
3.3.2 应力与外磁场不同方向时的磁弹性耦合影响
3.4 考虑磁滞时应变(应力)对磁化方向的影响
3.5 磁致伸缩材料的应力感知机理
3.5.1 磁致伸缩效应及其产生机理
3.5.2 磁致伸缩材料的磁场—伸缩—力耦合传感方程
3.6 钢结构拉压杆磁力耦合本构关系
3.7 本章小结
第4章 Q235钢杆的磁力耦合试验研究
4.1 Q235钢拉压杆磁力耦合试验
4.1.1 试件加工与制作、加载及试验设备
4.1.2 试验目的
4.2 试验结果及讨论
4.3 试验所得磁滞回线与钢结构拉压杆磁力耦合本构关系的定性比较
4.4 试验结果的计算分析及磁力对应关系曲线的建立
4.4.1 磁导率的分析计算及磁导率—应力对应关系曲线的建立
4.4.2 本次试验测试最佳激励外磁场区间的确定
4.5 耦合场参数A分析及计算
4.6 磁导率受应力和外磁场双参数影响时的数值回归分析计算
4.7 对试验及试验设备的改进建议
4.8 本章小结
第5章 有限元ANSYS程序模拟分析
5.1 与本文研究相关的有限元ANSYS程序数值模拟分析概述
5.1.1 选用ANSYS进行数值分析的背景
5.1.2 ANSYS电磁场分析
5.1.3 ANSYS非线性分析
5.2 ANSYS结构—磁耦合场分析
5.3 单元选择
5.4 用ANSYS进行磁力耦合数值模拟的求解过程
5.5 有限元ANSYS计算结果及分析
5.5.1 ANSYS程序计算结果及讨论
5.5.2 改进的有限元模拟计算结果及分析
5.6 本章小结
第6章 基于磁力耦合的钢结构应力检测技术研究
6.1 利用逆磁致伸缩效应检测钢铁结构应力状态
6.1.1 基于逆磁致伸缩效应的应力检测原理
6.1.2 磁致伸缩及逆效应用于磁弹性测力传感器
6.1.3 威德曼效应及其逆效应应用于测力及扭矩
6.2 Barkhausen效应检测铁磁类材料结构构件的机理和应用
6.2.1 Barkhausen效应应力检测机理
6.2.2 Barkhausen效应应力检测应用
6.2.3 利用Barkhausen效应测定土木结构构件工作应力的研究现状
6.3 钢结构应力状态的磁记忆检测原理及应用
6.3.1 磁记忆检测方法在汽轮机叶片上的应用
6.3.2 磁记忆检测方法在对接焊缝中的应用
6.4 用磁声法MAE检测钢结构构件应力的机理和应用
6.4.1 磁声发射MAE应力检测机理
6.4.2 应用MAE进行应力的检测
6.5 应力致磁各向异性法SMA(Stress-induced Magnetic Anisotropy)
6.6 磁测应力技术的对比及对钢结构磁力耦合应力检测的启示
6.7 实用磁化和测磁器件的选择建议
6.7.1 磁化分析及器件选择建议
6.7.2 磁场测量原理和元件的比较
6.7.3 实用测磁设备选择建议
6.8 本章小结
第7章 实现钢结构磁力耦合应力检测的相关关键技术初探
7.1 实现应力检测的关键技术及其关键问题分析
7.2 磁化技术
7.3 磁性应力检测中的磁信号测量技术
7.4 磁性应力检测中的信号处理技术
7.5 数字化电磁应力检测信号的频域数字滤波
7.6 磁测抗干扰技术
7.7 关于退磁方法的讨论
7.8 本章小结
第8章 结论
8.1 本文研究的结论
8.2 存在的问题及后续研究的重点
参考文献
致谢
攻读博士学位期间发表的论文
附表：Q235钢杆的磁力耦合试验H-B曲线正值段数值对应表
发布时间: 2006-07-20
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