文摘

集中应力和残余的至关重要的金属结构的健康状况,因为他们会导致微裂隙,需要紧急维修或可能导致潜在的事故。因此,准确测量压力的方法是确保金属结构的健康的关键。涡流技术是一种有效的方法来检测压力的压阻效应。然而,它仅限于检测表面压力由于集肤效应。在工程中,应力分布是不均匀的;因此,预测不均匀应力分布,提出了一种无损方法相结合涡流技术和有限元(FE)方法。实验数据通过涡流技术确定作用力之间的关系和磁通密度,同时通过有限元数值模拟方法桥磁通密度之间的关系和不同方向的应力分布。因此,我们可以预测非均匀应力无损。作为一个案例研究中,应用在三点弯曲应力简支梁计算,相对误差小于8%,整个梁。这种方法可以将预测金属结构的残余应力,如铁路和车辆结构,如果应力分布模式。

1。介绍

应力集中、残余应力的主要原因是微裂缝在金属部件和结构(如石油/天然气管道(1,2),机翼(3),钢桥(4),起重设备(5],和多晶固体[6])。因此,微裂隙等关键部件和半成品突然会导致结构失效时在交变负载下运行;这可能会导致经济和环境损失,以及人类伤亡(7,8),如果没有适当的维护策略。因此,应力分布的评估方法是至关重要的控制质量和延长生命周期早期阶段结构健康监测。然而,它通常是难以测量或预测残余应力9]。

无损检测(NDT)技术发挥了重要作用在保证各种关键的基础设施资产的安全性和可服务性和设施(10- - - - - -24]。一般应用在应力或残余应力测量x射线衍射技术,超声波检测、磁记忆方法(嗯),磁巴克豪森噪声(拥有),和涡流检测(ECT) (11- - - - - -19]。x射线衍射技术适用于表面压力测量(6];然而,它不是有效的深度测量压力。在工程,通常结合其他破坏性技术扩展测量深度解决这个问题(11]。超声技术测量深度高于x射线衍射技术;然而,它有很高的要求对材料表面及其测量精度很低(12]。嗯利用地磁场和磁致伸缩效应来检测应力或残余应力;因此,适用于在线实时测量,但其检测信号太弱,很容易被环境噪声干扰,所以检测精度不是很高(13,14]。巴克豪森噪声可以测量表层和次表层的压力但磁性材料是有限的,因为巴克豪森效应只存在于铁氧体材料(15,16]。此外,裂纹的桥接压力、格林等人采用了拉曼探针技术测量桥梁应力疲劳样品。然而,校准是必要的,因为拉曼转换可以受到化学成分变化的影响17]。涡流技术具有低成本和低对环境影响(例如,水分和灰尘),适用于定量/地下测量(例如,表面裂纹检测(18- - - - - -21)、磁导率和电导率特性(22),和位移测量23导电材料)。由于导电材料的压阻效应,涡流技术似乎更有利比其他金属结构应力评价的技术。一些调查24]表明,涡流对压力响应敏感变化的金属。

因此,越来越多的研究工作压力测量的重点是涡流技术的使用。2001年,永等人采用巨磁电阻(GMR)传感器和一个涡流传感器的轴向应力钢丝。调查表明,磁通密度GMR传感器检测到的相关应用负载,而涡流传感器的电阻和电感是机械应力的函数25]。然而,可塑性(24,25)和老化/热处理(26)也会影响金属的导电性以及外加应力。因此,他们有一个结合影响涡流反应。莫洛佐夫和田27]深入调查的涡流反应的铝合金样品(aa - 1050 aa - 2024 aa - 5083和aa - 7075)与不同程度的塑性变形和不同的热处理。铝合金受到弹性单轴加载监控循环和定向涡流探头。实验结果表明,压力系数通常是积极和依赖于退火(热处理)条件以及塑料工作之前的水平;矩形探针通常是敏感得多当面向拉应力。之后,他们继续研究的反应涡流电导率的变化由于弹性和塑性应力。他们指出,欧盟的实部主要是弹性应力响应敏感,而虚部的EC响应敏感主要塑性应力(28]。周et al。29日)提出了一种脉冲电磁方法(PEM)带有u型传感器来检测铁磁金属的单向拉应力。

现有的文献表明,涡流技术是一种有效的无损测量技术压力。复杂载荷下的应力分布通常是不均匀在制造业和服务。然而,只有有限的文献考虑了非均匀压力。Nagy et al。30.- - - - - -32)提出了残余应力评估镍基超合金后shot-peened涡流技术处理。而他们的调查还发现,电导率剖面之间的关系,寻求残余应力剖面样品的状态是非常敏感的析出硬化(33)和热塑性的影响(34]。此外,涡流检测表面压力由于集肤效应。因此,非均匀压力应该改进的预测精度进一步结合其他方法。安et al。35)结合x射线衍射和有限元预测光纤激光焊接AA2024-T3焊接残余应力,而朱et al。36)提出了一种方法来确定残余应力在金属结合槽铣法和有限元方法,并验证了该方法测定结果的x射线衍射。然而,铣槽的方法是一个破坏性的方法在x射线衍射昂贵,对操作者的健康是有害的。

因此,提出的预测方法是组合涡流技术和有限元法(FEM)对金属的不均匀分布压力准确、无损。本文结构如下:压力评价的基本理论提出了涡流技术在部分2;不均匀应力分布评价方法基于涡流技术和有限元数值模拟提出了部分3;一个案例研究,即。,measurement of stress distribution in a simply supported beam with a three-point-bending deformation, is shown in Section4。部分5结论和未来工作提出建议。

2。基础理论

2.1。压阻效应

几何形状和金属的电阻率变化时应用机械载荷,因此,导致金属的电阻的变化。材料的电阻率由于应用负载的变化称为压阻效应。考虑到长方体金属为例,其阻力可以表示为 在哪里金属的电阻率(Ω米),长方体的长度(毫米),长方体的宽度(毫米),然后呢长方体的厚度(毫米)。

根据压阻效应,如果金属拉伸的长度, , , ,和都发生了变化。长方体金属电阻的变化的变化造成的 , , ,和可以表示为

假设应变沿长度 ,这等于 ,应变的宽度和厚度可以表示为 在哪里的泊松比金属。

因此,方程(2)可以简化 在哪里 电阻的变化是由于长方体和几何的变化 电阻的变化是由于压阻效应。

因此,金属的电阻变化的变化源于几何和电阻率的变化所引起的机械应力。对某些金属,如铂合金、电阻变化由于压电电阻率远远大于由于几何变化。

2.2。涡流方法应力测量的工作原理

涡流检测仪器的工作原理如图1。交流电在驱动线圈产生一个交变磁场 ,哪个是主磁场和电流在样例。涡流同时产生一个二级磁场 ,抵制变化的主要合成磁场磁场和变化 。

线圈的几何参数,如匝数 ,内半径 ,外半径 ,和高度 ,关键因素主磁场吗 ;的发射 ,样品的导电性 ,和样本的相对磁导率影响二次磁场 ;励磁电流和励磁角频率对主磁场有影响吗以及二次磁场 。

因此,是依赖于发射等因素,激励频率、样品导电性,样本相对磁导率,探头线圈几何。的 - - - - - -磁通密度的组件通常被用作检测信号由于其检测能力和力量。因此,可以表示为方程(5)

根据方程(4)和(5),应用机械应力会导致样品的电导率的变化由于几何变化和压电电阻率的效果。因此,改变样品的导电性可以诱导合成磁通密度的变化。因此,涡流技术理论上可以反映出金属的外加应力。

样品的实际尺寸远远大于磁场的分布范围在涡流方法中,所以压力涡流检测到的技术能够准确的反映了压电电阻率影响金属。

3所示。混合方法对非均匀分布压力

永勤et al。25]研究之间的关系的电阻和电感线圈的涡流传感器和压力,和结果表明,线圈的阻抗是线性变化的压力。因此,涡流检测信号之间的线性关系和应用力假设方程(6),它可以象征性地表示为图中的虚线2。

在图2★代表象征意义的数据由涡流技术实验。虚线的确定系数与实验数据来标示 。 在哪里是涡流检测信号的技术,是作用力,和斜率和截距之间的线性关系和 ,分别可由实验决定。

根据材料力学,当力量是应用于导电样本,生成的内力可以计算吗 ,和导电样品的横截面上的应力分布可以通用 在哪里 探测点的坐标是 - - - - - -轴,在 - - - - - -轴,在 - - - - - -轴; 是常数时样品的几何形状是决定; 是样本截面的宽度和高度,样品的长度。

龚et al。37)发现导电样品的电阻率的变化与应变的变化是线性的样本。根据应力和应变的本构关系,导电性的横截面 可以被假定为 在哪里是没有压力和样品的导电性是压力之间的转换系数和电导率的样本。

如图2系数的范围是 _,在哪里上限和吗是下限。的系数可以根据以下步骤:

步骤1。 。

步骤2。 ,在哪里是一个微小的积极价值。

步骤3。设置电导率分布的数值模型根据方程(8)。

步骤4。获得的关系 ,并计算其确定系数 。

第5步。如果 (是一个微小的积极价值),我们表示吗 ;如果没有,作为 ,,转向步骤2。

为了得到上限 ,我们可以代表 在步骤2作为 ,以及代表 在步骤5作为 。因此,系数的范围可以确定为 。

如图2如果我们知道检测信号 ,我们可以把A点和b点。点的交点和线 而B点的交点和行 。因此,我们可以得到部队申请A点和B点,我们表示点的作用力并表示,对于B点 。之后,我们得到了应用的平均值和 。最后,我们可以得到应力分布根据方程(7)。

如前所述,使用在步骤3,我们输入电导率分布的数值模型根据方程(8),可以在不同的应用负载下检测信号。然后,在步骤4我们可以获得的关系 和计算系数的决心之间的 从涡流技术和实验数据。因此,电磁涡流数据技术和数值模拟相结合的力学模型。

4所示。案例研究

在案例研究中,连续和非均匀应力分布在简支梁三点弯曲变形。梁的材料是铝合金7075和它的大小 。三点弯曲实验的示意图如图3。

4.1。实验调查的关系

以下4.4.1。实验装置

实验设置(如图4)包括涡流探测器的电源、信号发生器、信号调理电路、铝合金7075、信号采集系统、和材料测试机(无CM75105)。调查由励磁线圈和霍尔传感器SS495A。霍尔传感器SS495A是一个线性磁传感器,它可以反映线性的输出电压信号。调查的构造图和实际调查显示在图5。在实验中,探针位于以下应用力,如图5 (c)和一个10 V的电压信号5 kHz和激励信号输入调查。线圈的阻抗可以增加然后减少激励频率范围的10 Hz ~ 10 MHz (36),而当激励频率过低,皮肤深度深;我们检测是合成应力的应力范围的皮肤深度而不是表面的压力;因此,0.5 kHz和激励频率的选择。

确保弹性变形在这项实验中,样品的最大压力需要低于许用应力。铝合金7075等于200 MPa的容许应力(38]。因此,材料试验机的最大力量应用于样本计算为280 N。因此,在实验中,材料测试机的负载变化范围从0 N - 240 N, 40 N的步骤。

4.1.2。实验结果分析

表1列出了霍尔传感器电压信号从不同的应用。霍尔传感器SS495在实验中是一种线性霍尔传感器。输出电压是线性变化的磁通密度-640 g ~ + 640 Gs的范围。因此,磁通密度可以计算出不同的应用。

我们可以看到在桌子上1电压信号越来越多的应用。潜在的原因是,随着应用力、梁的应力是线性增加,此后样品的电阻率增加,电导率下降。电导率下降可能导致增加合成磁通密度,根据涡流技术的原理图所示1。越强 ,从霍尔传感器电压信号越强。

的关系 如图6(黑色实线)。的表达 安装是方程(9) 确定系数在哪里是0.98。

4.2。测定电导率分布光束的横截面

三点弯曲的简支梁图所示3的压力点( )可以表示为 在哪里梁的长度吗惯性矩。

根据方程(9),三点弯曲的电导率分布可以表示为简支梁 在哪里关于压力的转换系数和电导率的样本,由数值模拟在部分4所示。3。

4.3。系数的确定通过有限元方法

4.3.1。通过有限元数值模拟

根据对称几何形状和边界条件,1/4结构模型是采用COMSOL多重物理量,典型的有限元商业软件之一。根据网格模型构建策略和边界条件研究39),如图7。有限元(FE)模型中的参数表中列出2。

4.3.2。的系数

考虑电导率分布从方程(11)在有限元模型中,应用力之间的关系曲线和磁通密度 - - - - - -组件的不同系数可以获得。如果 ,它将导致 和 。作用力和之间的关系曲线为 和 如图6。

4.4。外加应力评估的三点弯曲简支梁

在三点弯曲变形,如果涡流探头检测到的图所示572高斯,反向作用力可以计算吗 N时 和 N时 ,如图6。因此,测量应用力可以表示为方程(12)

此外,根据图6,校准应用力100.3 N当 高斯。获得作用力后,压力在任何时候 结构可以根据方程(被评估10)。

当磁通密度霍尔传感器检测到的是72高斯,连续的应力分布计算与方程(10根据测量的作用力) N在方程(12),如图8(一个)。图8 (b)显示校准作用力下的应力分布 N由有限元计算。图8 (c)显示了绝对误差数据的连续的应力分布8(一个)和8 (b)。

从图可以看出8,除了作用力的位置和支持,整个简支梁的绝对误差小于4 N /平方毫米,相对误差低于8%。然而,绝对误差的位置应用力和应力集中效应的支持是显而易见的,因为在有限元法考虑,而不考虑该方法。的潜在原因相对误差8%,该方法是实验的应力分布几乎没有区别与方程(7),因为样本不是严格意义上的连续,均匀,isotropous固体。

案例研究表明,该方法可以预测简支梁的不均匀应力分布的金属结构有限元法根据表面涡流传感器检测到的压力。

5。结论

本文提出了涡流技术相结合的混合方法和有限元方法,利用压阻效应,预测应力分布在金属结构早期破坏。表面应力可以通过涡流技术,而有限元方法可以描述深入表面压力和压力之间的关系,以便不均匀应力预测。下面是得出的主要结论。(1)实验的结果表明,涡流技术的检测信号线性变化的作用力在弯曲变形的金属结构,这是一致的结论28,36](2)一个新的混合方法确定系数提出了压力和导电性。的系数桥梁之间的差距通过涡流磁通密度检测技术和非均匀分布的压力,这对非均匀应力评价是关键。它还提供了一个方法来近似未知材料的压阻系数没有损伤(3)案例研究表明,该方法可以很容易地测量非均匀应力分布与高精度弯曲变形,这提供了一个示例应用程序的其他条件下提出了非均匀应力测量方法。如果残余应力的分布格局等在一定条件下,这种方法可以进一步扩展到评估特定的工作条件下残余应力的关键结构,如高速铁路、石油/天然气管道、翼型、铁路和公路车辆结构

这个建议的方法提供了一个可行的方法来预测残余应力的不均匀应力甚至。然而,样品表面的影响,材料的电磁特性,评价的激励频率精度和灵敏度仍然需要进一步调查。

数据可用性

(数据类型)的数据用于支持本研究的结果中包括这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金(批准号61960206010,批准号51675087),广东省国家自然科学基金(批准号2018 a030313893),以及中央大学的基础研究基金(批准号ZYGX2018J067)。