，，，

(南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室, 南昌 330063)

目前對磁記憶檢測的影響因素的研究，主要有以下幾個方面[1-4]：通過改變拉伸速率，研究不同的拉伸速率對磁記憶檢測信號分布狀態(tài)的影響；通過改變材料的應(yīng)力狀態(tài)，研究應(yīng)力對漏磁場大小的影響，且通過應(yīng)力的改變，分析其對磁疇組織的影響，以此研究磁記憶效應(yīng)的變化；通過改變測量磁場時的提離值來研究提離值對磁記憶信號的影響,以及通過改變測量路徑研究不同測距對磁記憶信號的影響等。這些磁記憶檢測的影響因素都是在常溫下進行研究的，溫度變化對磁記憶信號造成的影響并沒有考慮[5-8]，因此，筆者通過建立典型試樣仿真模型，施加不同的溫度進行ANSYS有限元仿真，來研究溫度的改變對磁記憶檢測的影響。

1 試驗方案

以鐵磁性材料20鋼、45鋼、12Cr1MoV為研究對象，基于熱力耦合效應(yīng)和力磁耦合效應(yīng)，建立三維有限元仿真模型，并對其加載求解，得到其應(yīng)力狀態(tài)分布和磁記憶檢測信號的分布結(jié)果，然后對仿真結(jié)果進行分析，以此來探討改變溫度時不同材料的磁記憶檢測信號的變化規(guī)律。20鋼、45鋼、12Cr1MoV的主要成分以及不同溫度下的性能如表1～4所示。表1～3中的化學(xué)成分百分比為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

表1 20鋼的主要性能參數(shù)

表2 45鋼的主要性能參數(shù)

表3 12Cr1MoV鋼的化學(xué)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表4 12Cr1MoV在不同溫度下的力學(xué)性能

文章所仿真的試樣模型的形狀為中心含小孔的平板，其尺寸如圖1所示(圖中δ表示厚度)。

圖1 中心含圓孔的平板試樣尺寸示意

首先建立熱力耦合的試樣ANSYS有限元模型，并對其施加不同的溫度載荷，得出不同溫度下試樣的應(yīng)力分布結(jié)果；將應(yīng)力分布結(jié)果導(dǎo)入另一個力磁耦合的試樣有限元模型，再對該模型施加拉伸載荷并求解；根據(jù)求得的應(yīng)力分布結(jié)果修改材料屬性，并對其施加地磁場；最后再進行求解，得出模型在圓孔附近的磁場分布情況。

2 試樣的有限元仿真

2.1 熱力耦合單元的有限元仿真

首先對12Cr1MoV材料進行ANSYS有限元仿真。為了對模型施加不同的溫度，在建立試樣模型時，采用的是Solid45單元。該單元可用來構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu)，并且每一個節(jié)點都有3個沿著x，y，z方向平移的自由度。

選好結(jié)構(gòu)單元之后，定義模型的材料屬性，建模并劃分網(wǎng)格。由于模型是軸對稱模型，為了節(jié)約計算資源，提高計算效率，僅建立一半的試樣模型。建立的仿真模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 試樣模型及網(wǎng)格劃分

在劃分好網(wǎng)格之后，對模型施加不同的溫度載荷，模型最外圍設(shè)置為絕熱邊界條件，然后進行求解計算。計算完成之后通過Element Switch命令將熱單元轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)單元，并施加大小為240 MPa的拉伸載荷。因為不考慮拉伸載荷對磁場強度的影響，所以對模型施加一個固定不變的拉伸載荷。然后，將前面熱分析計算得到的結(jié)果施加在結(jié)構(gòu)分析單元上，再進行熱力耦合計算，得到試樣的應(yīng)力分布結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，在只考慮熱力耦合，不考慮磁場及磁導(dǎo)率的情況下，當(dāng)對試樣施加的溫度逐漸升高時，試樣在圓孔附近的應(yīng)力也隨之增大，并且應(yīng)力集中程度也越來越高。

圖3 不同溫度下的試樣應(yīng)力分布結(jié)果

圖4 地磁場模型示意

2.2 力磁耦合單元的有限元模型建立

建立如圖4所示的地磁場模型，由于磁記憶檢測的環(huán)境磁場為地磁場，因此需要給模型施加一個類似于地磁場的環(huán)境磁場。模型由兩塊永磁體和一塊銜鐵組成，外圍是空氣層。模型最外圍設(shè)置為平行邊界條件。模型外圍的空氣層的相對磁導(dǎo)率為1，矯頑力為0；永磁體相對磁導(dǎo)率為1.075 9，矯頑力為56 A·m-1;銜鐵的相對磁導(dǎo)率為1 840。由于地磁場在一定空間范圍內(nèi)的變化幾乎可以忽略不計，因此為了使模型周圍的磁場強度比較平均，永磁體相對試樣的大小設(shè)置得非常大，尺寸(長×寬×厚)為100 mm×100 mm×10 mm，兩個永磁體的間距為100 mm。這樣地磁場、空氣層和試樣的三維力磁耦合模型已建立好。力磁耦合模型采用的是Solid98的三維十節(jié)點結(jié)構(gòu)實體單元。

2.3 加載和求解

定義好材料參數(shù)后，保持試樣的網(wǎng)格劃分不變，將熱力耦合單元得到的應(yīng)力分布結(jié)果導(dǎo)入到該單元中，再對試樣模型施加地磁場，并對地磁場進行網(wǎng)格劃分后進行求解，最后得到試樣模型表面的磁場強度分布規(guī)律。

由于所研究的是不同溫度時，在地磁場與載荷造成的應(yīng)力集中共同作用下試樣材料表面的磁場強度的分布規(guī)律，因此提取φ2 mm圓孔附近50 mm的范圍作為磁場的測量路徑，提離高度為1 mm。

為了更有效更直觀地分析仿真結(jié)果，將得到的磁記憶信號的分布情況導(dǎo)出到MATLAB軟件中進行繪圖，其中缺陷處為測量點位置的20 mm處,得到的結(jié)果如圖5(a)所示。

圖5 不同溫度下三種材料試樣缺陷處的磁場強度

為了研究不同材料對磁記憶檢測的影響，將試樣的材料換成20鋼和45鋼，重復(fù)以上的仿真步驟，分別得到20鋼和45鋼在不同溫度下的磁場強度分布規(guī)律曲線，如圖5(b)，(c)所示。

2.4 結(jié)果分析

(1) 在不考慮其他條件，改變加載的溫度時，鐵磁材料試樣的應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力值發(fā)生相應(yīng)的改變，其趨勢是隨著溫度的升高，試樣內(nèi)部的應(yīng)力也隨之增大，并且在缺陷處的應(yīng)力集中程度也隨之升高。

(2) 當(dāng)溫度升高時，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使得鐵磁性材料的屈服強度下降，導(dǎo)致試樣應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力集中程度增加。因此應(yīng)力集中區(qū)域表面磁記憶信號的峰峰值增大。但是，在一定溫度范圍內(nèi)時，磁記憶信號的峰峰值大小很接近。

(3) 當(dāng)溫度升高到材料的居里點附近時，材料的磁導(dǎo)率急劇下降，導(dǎo)致材料的磁阻急劇變大，因此應(yīng)力集中區(qū)域的漏磁場強度會出現(xiàn)急劇增大。此時，在應(yīng)力集中區(qū)域的漏磁場峰峰值也會急劇增大。

(4) 不同的鐵磁性材料試樣在應(yīng)力集中區(qū)域表面的漏磁場變化規(guī)律基本沒有發(fā)生變化，磁記憶信號都是在該部位出現(xiàn)極值，材料種類的不同對磁記憶信號的影響僅僅體現(xiàn)在磁記憶信號大小的不同上，同時，當(dāng)溫度發(fā)生變化時，由于不同材料的磁導(dǎo)率不同，居里溫度也不同，因此發(fā)生漏磁場的突變點以及磁場強度峰峰值的突變點都是處于居里點附近。

3 結(jié)論

為了研究不同溫度對磁記憶檢測信號的影響，對帶有典型缺陷(中心含小孔)的3種不同材料的試樣進行了仿真研究。結(jié)果表明：當(dāng)其他條件一定，只改變加載的溫度時，隨著溫度升高，試樣的應(yīng)力集中程度也隨之增高；施加磁場后，當(dāng)溫度在一定范圍內(nèi)變化時，磁記憶信號并沒有發(fā)生很明顯的變化，但是，當(dāng)溫度接近試樣材料的居里溫度時，由于材料的磁導(dǎo)率急劇下降，磁阻急劇上升，應(yīng)力集中區(qū)域的漏磁場峰峰值會急劇增大；此外，當(dāng)試樣材料不同時，不同材料在溫度發(fā)生變化時對磁記憶信號影響的規(guī)律是基本相同的，不同的只是磁記憶信號峰峰值的大小和居里溫度的不同而導(dǎo)致應(yīng)力集中區(qū)域的漏磁場峰峰值發(fā)生突變的點不同。后續(xù)將通過試驗對仿真結(jié)果的正確性進行驗證和分析。