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1、word密级：公开弱磁应力检测模型的有限元分析Finite Element Analysis for Weak Magnetic Stress DetectionModel学 院： 信息科学与工程学院专 业 班 级： 电子科学与技术0902班学 号： 090403051学 生 姓 名： X 威指 导 教 师： X 斌 讲师2013年06月 / 摘 要随着世界工业的迅猛开展，钢架等铁磁性材料越来越广泛地应用在各行各业。伴随着人们对安全的重视，对工程中的铁磁材料的维护就显得愈加重要。由于铁磁材料在生产和使用的过程中极易因受到应力集中作用而发生损坏，因此，利用其逆磁致伸缩逆效应产生的漏磁场进展应力检
2、测来完成日常维护不失为一种可行的方法。基于铁磁材料构件漏磁场对铁磁材料应力集中区进展检测是一种无损的弱磁应力检测方法。铁磁材料在受到应力作用时，内部的磁性磁阻和磁导率会发生相应的变化，并产生漏磁场，利用专用的传感器对其漏磁进展检测，并进展进一步处理便可早期发现应力集中区。加之弱磁应力检测具有本钱低、操作简便等特点，使得它更加受到人们的关注。有限元分析是一种利用有限元方法对静态或固态物理系统进展分析的方法。在有限元分析中，物理系统被分解成多个简单、独立、相互联系的模型。本文阐述了铁磁材料的逆磁致伸缩效应，提出了铁磁材料漏磁场的应力检测方法以与传感器结构。并利用Ansys12.0软件进展有限元建模
3、仿真，对所提出的弱磁应力检测方法的可行性进展验证，对传感器结构和参数进展改善。经有限元分析得出结论，通过调整缺陷与磁极和传感器的相对位置，可以实现弱磁检测。弱磁条件下检测出的缺陷宽度偏小，径向和轴向磁通密度都会随着缺陷宽度的增加而增加。内外缺陷径向磁通密度峰值在25%到40%深度的X围内，呈现出的趋势相反；轴向磁通密度曲线根本重合，其峰值随着缺陷深度的增加而增加的近似线性的关系。内外缺陷的轴向磁通密度曲线根本重合，与缺陷宽度和深度呈现出线性关系；内外缺陷的径向磁通密度曲线与缺陷宽度和深度不呈线性关系。关键词：铁磁材料；有限元分析；弱磁场；应力检测；Ansys AbstractWith the
4、development of global industry，ferromagnetic materials as steel frame and oil pipe are more and more applicated in all walks of live.Maintenance of ferromagnetic material seems to be significant along with attention on safety of people.Utilizing the theory of inverse magnetostrictive effection to se
5、rvice ferromagnetic material is a feasible method，because they are damaged easily in the process of production and applying.Its a non-destructive detection method of weak magnetic stress detection that utilizing the leakage magnetic field of inverse magnetostrictive to gauge the stress concentration
6、 area of ferromagnetic material. The magnetic(reluctance and permeability) of ferromagnetic material will change accordingly when they are under stress.So,using special sensor to gauge the magnetic and process further can found the stress concentration area early.In addition, weak magnetic stress de
7、tections advantage of low cost and simple operation makes people pay more attention to it.Finite element analysis can analyze the static or solid state physics system.In the finite element analysis，physics system is divided into a number of simple，independent，interrelated model.This paper expounds t
8、he inverse magnetostrictive effection of ferromagnetic material，method of weak magnetic stress detection and structure of the sensor based on inverse magnetostrictive effection. Moreover, the paper also emulates by Ansys 12.0 to prove the feasibility of the method of weak magnetic stress detection a
9、nd improve the structure and parameters of the sensor.By the finite element analysis, concluded that by adjusting the position of the defects with the poles and the relative the sensor, can realize the weak magnetic inspection. The result of width of the defect is smaller in weak magnetic inspection
10、. Radial and axial magnetic flux density increased with the increase of width of defects increases. In the depth of the range between 25% to 40%,peak-to-peak value of inside and outside the defect radial magnetic flux density show the opposite trend and the axial magnetic flux density curve is almos
11、t coincident. The axial magnetic flux density peakand defect present linear relationship. Defects of the axial magnetic flux density curve inside and outsideis almost coincident. Defects of the axial magnetic flux density curve inside and outside is linear relationship with the width and depth of th
12、e defect. RadialDefects of the radia magnetic flux density curve inside and outside isnt linear relationship with the width and depth of the defect.Keywords: ferromagnetic materials；finite element analysis；weak magnetic field ；stress detection；Ansys 目 录摘要IAbstractII第1章绪论11.1 研究弱磁应力检测的意义1弱磁应力检测技术与其特点
13、4漏磁检测技术特点与应用4课题内容6第2章铁磁材料的根本特性7磁性材料的磁矩7磁性材料的分类9抗磁材料9顺磁材料9铁磁材料的磁畴9铁磁材料的磁化过程11第3章应力对磁性的影响15应力对磁畴运动的影响15应力对磁壁运动的影响15逆磁致伸缩效应16应力对磁化的影响16漏磁场的产生18第4章有限元分析与检测模型的原理19软件简述19实体模型的建立19漏磁检测原理研究20的仿真过程23根本步骤23结果分析27第5章强磁场应力检测模型的有限元分析28缺陷宽度对强磁场的影响28缺陷深度对强磁场的影响31第6章弱磁场应力检测模型的有限元分析34模型的优化34弱磁条件下的径向和轴向磁通密度曲线与其分析35缺陷
14、尺寸对弱磁场的影响35缺陷宽度对弱磁场的影响35缺陷深度对弱磁场的影响37第7章结论40参考文献41致谢43在学期间发表的学术论文44第1章 绪论1.1 研究弱磁应力检测的意义随着世界经济的开展，工业和根底设施建设呈现出极快的开展趋势，各个大型机械设备、桥梁和建筑钢架、航天设备、民用设施等无不将以钢铁为代表的铁磁性材料作为主体构件。而在铁磁材料的制造和使用的过程中，应力不可防止地存在于其中，是材料形成缺陷。特别是在大型建筑中，过多的缺陷的存在会加速材料的老化，导致材料的宏观上的损坏，发生危险1。图1-1 某某市新机场配套引桥事故现场近年来，我国建筑业开展迅猛的同时，也发生了多起建筑安全事故，给
15、百姓的生命和财产安全带来了巨大的损失。如图1-1和图1-2，2010年1月3日某某省某某市新机场配套引桥在浇筑混凝土的过程中支架突然发生垮塌2，事故，共造成7人死亡，8人重伤，26人轻伤的悲剧，事故原因为坍塌处钢材支图1-2 某某市新机场配套引桥事故段图1-3 某某居民楼坍塌现场撑体系失稳。如图1-3和图1-4，2012年12月16日，某某省某某市江东区一幢居民楼坍塌2，虽经社区和警务人员紧急疏散，但仍造成了2人死亡的事故，图1-4 某某居民楼坍塌现场其原因是楼体底层承重钢筋受潮、风化导致墙体强度不足。而如果能够与时准确地检测到材料的应力分布，就可以尽早地对应力集中区进展材料结构的改造，既能防止重大事故的发生，又可以增长材料的使用寿命，具有重大的经济和社会效益1。铁磁材料在受到应力的作用时，会产生缺陷，导致其内部自由能增加。而物理系统内总是自发地做抑制自由能增加的运动，并且在地磁场的影响下，磁畴会发生偏转，形成磁极，以磁能的形式抵消自由能的增加2。这种因受到应力而产生的磁畴结构的变化，导致铁磁材料磁性磁阻和磁导率发生相应的变化的现象被称为“逆磁致伸缩效应。在逆磁致伸缩逆效应中，由于磁畴转动而产生的磁极，会在材料明确形成漏磁场。根据漏磁场的分布便可间接地分析到应力集中区的分布
