Page 104 - 无损检测2022年第五期

张 贺,等:
外磁场下三轴弱磁应力检测信号定量化分析

此时, 式( 9 ) 可化简为
3
2
F σ =- λ S σcos φ ( 10 )
2
式中: 为应力 σ 方向与自发磁化矢量间的夹角, 所
φ
2 。
以有cos φ =α 1 γ 1+α 2 γ 2+α 3 γ 3
由式( 10 ) 可知, 当铁磁体受到外应力作用时, 应
发生改变, 进而导致系统能量增加。为维
力能 F σ
持系统能最小原则, 铁磁体只有改变 φ 值, 即使磁
畴自发磁化矢量转动, 才能使铁磁体产生磁性。对 图 2 外磁场磁化下钢板的磁场分布
于铁磁性材料( λ S>0 ), 当受到的应力为拉应力时, 进而得到钢板的轴向励磁磁场。分别设置外磁场强
拉应力使磁畴自发磁化方向趋于应力σ 的方向, 因 度为 50 ( 地磁场), 60 , 70 , 80 μ T 。以应力集中区中

为当 φ 为 0° 或 180° 时, 系统能量最小。 心为原点, 沿 x 轴的正负半轴分别取 +50 mm 和

3 不同外界磁场下三轴弱磁应力检测信号 -50mm 作 为 检 测 器 扫 描 范 围, 设 置 提 离 值 为

仿真计算 2mm , 计算三轴弱磁信号强度, 得到弱磁信号的三
轴轴向励磁特性曲线( 见图 3 )。
3.1 模型建立
为了进一步研究外磁场对弱磁信号的 影响特
性, 利用有限元方法对不同方向及强度外磁场下的三
轴弱磁信号特性进行了仿真计算。建立的钢板及应

力集中区模型如图 1 所示。钢板尺寸为 200mm×

25mm×15mm ( 长 × 宽 × 高), 材料为 X80 钢材, 弹

6 -2 , 泊松比( PRXY 主泊松比)
性模量为 2×10 N / m

为 0.3 , 磁导率为 280N · m 。钢板中部设置应力集
-1

中区, 应力集中区尺寸为 5mm×15mm×5mm ( 长

×宽×高), 应力集中程度为 350MPa 。以应力集中

区为原点建立三轴直角坐标系, 映射钢板的轴向( x
轴)、 周向( 轴) 和径向( z 轴) 的三维空间。
y

图 1 钢板及应力集中区模型
为了在钢板外部叠加不同强度及方向的外界磁

场, 在钢板外建立空气场, 空气场尺寸为 500mm×
500mm×500 mm ( 长 × 宽 × 高 ), 磁 导 率 设 为

-1 。当钢板被外磁场磁化时, 其磁场分布如
1N · m
图 2 所示。
由图 2 可知, 外磁场磁化后的钢板其两端和应
力集中区处磁场分布较强, 且应力集中区处的磁场
向外泄漏形成散射磁场。 图 3 钢板三轴轴向励磁特性曲线
3.2 仿真结果分析 由图 3 可知, 由于钢板应力集中区的磁畴自发
3.2.1 轴向励磁计算 磁化强度矢量趋于轴向重新排列, 进而产生弱磁信
将外磁场施加于平行 y Oz 的两个空气场侧面, 号, 该弱磁信号在轴向具有峰值; 径向具有峰 - 峰值
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2022 年 第 44 卷 第 5 期

无损检测