微磁检测应力和塑性区的磁弹塑耦合理论

金属磁记忆微磁检测方法, 利用铁磁材料局部磁性状态的变化, 进行应力集中或塑性区域位置及程度的检测与评价. 面向微磁信号的定量理论分析可对其工程领域应用提供重要指导. 本文介绍铁磁材料微弱环境磁场下的磁弹塑性本构进展, 及其在微磁信号分析方面的应用. 力磁本构关系方面, 针对微磁检测弱磁化条件, 基于有效场理论构建了受弹塑性载荷铁磁材料的理想磁化本构的显式解析式, 并结合接近原理分析了恒定外加微弱磁场下应力-应变对材料磁化强度的影响. 检测信号分析方面, 基于弹性力学理论、静磁学理论和新建立的磁弹塑性本构关系, 建立并求解了微弱磁场下铁磁试件中弹性应力或塑性区诱导的表面磁信号的二维分析模型. 结合实验结果证实其在刻画弹塑性因素对微磁信号影响规律方面的能力, 并详细分析了微磁信号的特征量与局部弹性应力或塑性区的尺寸间的相关关系. 相比已有力磁本构关系, 本文建立的显式解析形式的理想磁化更加简洁, 有助于提升对力磁耦合效应的定量化理解和应用.      

功能铁磁材料的变形与断裂的研究进展

综述了近几十年, 特别是近十几年来铁磁材料的力磁耦合变形与断裂行为的研究概况. 传统铁磁弹性问题的研究已经有较长时间的积累, 文献中已有大量的研究结果发表. 近些年 来, 随着智能材料及结构应用与研究的兴起, 功能铁磁材料如稀土超磁致伸缩材料、铁磁相 变材料以及铁磁复合材料等的力学行为越来越受到重视, 人们在功能铁磁材料的变形与断裂 以及铁磁复合材料的有效性质等方面开展了大量的研究工作. 本文在简单介绍了经典铁磁弹 性和传统铁磁结构的力磁性能的研究背景基础上, 结合作者近年来在铁磁材料变形与断裂方 面所开展的工作, 着重评述了功能软铁磁材料在变形与断裂的实验研究,如实验设备和技术, 以及铁磁复合材料细观力学、软铁磁材料、铁磁功能材料的变形与断裂理论等方面的研究进 展, 并指出了需要进一步研究的方向.     

铁磁薄板在磁场中变形和应力的理论分析与实验研究

在二维板壳磁弹性理论基本方程基础上,以二维铁磁薄板磁弹性问题为例,建立了含有10个基本未知量的偏微分方程组,再利用Newmark有限等差式,得到了可以应用DOM方法求解的标准型方程组.求解得到了载流铁磁薄板的位移及应力与各电磁量之间的关系,计算了载流铁板在磁场中的变形和应力.同时进行了载流铁磁性薄板在电磁场中变形和应力的实验研究,介绍了电磁场中铁磁性薄板的实验装置和实验方法,给出了实验数据,并将实验结果与理论计算结果进行了分析对比.     

斜磁场中矩形铁磁薄板的几何非线性磁弹性行为分析

基于复杂磁场中铁磁介质磁弹性广义变分原理,给出了包含磁场、铁磁薄板几何非线性的一组基本方程,并对斜磁场中铁磁薄板的磁弹性弯曲问题进行了分析．根据铁磁板内磁场分布特点定性分析了铁磁薄板所受磁力的特征,建立了考虑铁磁板磁场端部效应以及耦合非线性、几何非线性的磁弹性有限元模型,数值模拟了铁磁薄板的磁弹性耦合弯曲特性并给出铁磁悬臂、简支薄板随磁场倾角变化的磁弹性弯曲变形特征等,数值结果与定性分析结果吻合良好．     

基于Monte Carlo方法的磁驱动准等熵压缩实验不确定度量化评估

磁驱动准等熵压缩实验是研究材料偏离Hugoniot状态高压物性和动力学行为的重要实验技术之一,开展不确定量化评估具有重要意义和价值。基于Monte Carlo原理,结合磁驱动准等熵压缩实验过程分析、Lagrange分析和特征线正向数据处理方法建立了适用于此类实验的Monte Carlo不确定度量化评估方法,实现利用磁驱动准等熵压缩实验获取材料声速、应力、应变等物理量以及状态方程和本构关系等物理模型的不确定度量化评估。利用建立的不确定度评估方法,对文献中已开展的钽、铜和NiTi合金的磁驱动准等熵压缩实验结果进行不确定度量化评估与分析。结果表明,基于本文中方法的评估结果与国外文献以相同原理得到的评估结果一致。对基于CQ-4装置开展的NiTi合金磁驱动准等熵压缩实验的评估结果表明,设计的磁驱动准等熵压缩实验是一种可靠的精密物理实验。在此基础上,深入讨论了磁驱动准等熵压缩实验的误差相关性和敏感性。结果表明：台阶样品厚度和粒子速度的测量是影响实验精度的主要因素。     

磁记忆检测中的力-磁关系及其实验观察

从微磁化基本理论出发,依据能量原理,建立了铁磁材料的能量状态方程;采用最小能量原理和拉格朗日乘数法得出了在外力作用下铁磁体内应力与磁化率改变量之间的线性关系式.进一步讨论了在应力方向改变时应力与相应方向磁化率改变量间的对应关系,证明在不同方向上二者之间的线性关系依然成立.根据变压器原理,设计出铁磁材料磁化率检测装置,以45#钢试件为例,测量了不同方向上应力与磁化率变化量间的对应关系,并与理论值做了比较.实验结果表明文中得出的应力-磁化率变化量表达式与实验测定结果符合得较好.以上工作为明确磁记忆检测技术的检测对象和机理,建立磁记忆检测技术的力-磁本构关系在一个新的视角上做了有意义的探索.     

低碳钢塑性变形量磁评定法研究

针对塑性变形量评定的局限问题,基于铁磁材料塑性变形致位错在不同方向分布不同的现象,研究了磁测法在定量评定低碳钢塑性变形量方面的应用前景。实验以工程中常用的低碳钢Q195钢板为测试材料,制作了形状尺寸一致的一批试件,并对其进行了不同程度的塑性变形量加载。通过搭建的磁化检测系统,采用相同强度及频率的正弦波激励,对所有样品进行了不同方向的磁化;同时经线圈及隧道磁敏电阻(TMR)采集了每次磁化的磁化曲线,提取了磁化曲线特征参数,对比了其与塑性变形量的定量关系。结果表明:随着塑性变形量的增加,铁磁钢材在同一磁场强度下产生的磁感应强度也会变大;沿主塑性变形方向磁化时,磁滞消耗能量最少,沿主塑性变形垂直方向磁化时,磁滞消耗的能量最多;磁路内磁场在主塑性变形方向上对塑变量的变化最敏感,而磁路外磁场在主塑变垂直方向上对塑变量的变化最敏感。实现了铁磁材料磁特征参数与塑性变形量的定量关联。本研究为开发简捷的铁磁材料塑性变形量无损评定磁方法奠定了基础。     

软铁磁薄板磁弹性屈曲的理论模型

铁磁弹性薄板的磁弹性屈曲问题一直作为电磁——弹性力学相互作用的一个基本模型进行研究，而作用在其磁介质上的磁力计算则是定量理论预测准确与否的关键．到目前为止，文献上已有的理论模型对悬臂铁磁梁式悬臂板在横向磁场中磁弹性屈曲的理论预测值始终高于实验值，有的甚至相差１００％左右．本文基于电磁力计算的微观安培电流模型，严格给出了软铁磁薄板等效横向磁力的宏观计算表达式．在此基础上，建立了电磁——力学相互耦合作用的非线性理论模型．该模型能描述铁磁薄板结构在非均匀横向磁场环境中的磁弹性失稳（或屈曲）．其定量分析采用了有限元法和有限差分法相结合．数值结果显示：本模型给出的磁弹性屈曲的临界磁场值与实验值符合良好．与此同时，文中还对文献中认为较成功的Ｍｏｏｎ－Ｐａｏ模型的基本假设进行了分析．定量结果发现：Ｍｏｏｎ－Ｐａｏ理论模型的基本假设仅在梁式板的长厚比Ｌ／ｈ比较大时（约在２００左右），是可以接受的，而当Ｌ／ｈ较小时，该假设将导致理论值与实验值的较大误差．Ｌ／ｈ比值越小，理论值与实验值的误差越大     

铁磁纳米结构磁化状态及其磁-力耦合效应的相场模拟

基于随时间变化的Ginzburg-Landau(TDGL)方程,建立了模拟铁磁材料磁-力耦合效应的相场模型。从弱解形式出发,推导出了相关控制方程的有限元格式,然后编制程序进行数值求解。由于有限元对复杂边界有良好的适用性,该模型可用于不同形状铁磁材料的畴结构模拟。通过相场模拟,发现铁磁纳米结构中的磁化会形成涡旋结构,与实验观察到的磁化涡旋结构符合较好。由非均匀磁化引起的结构的变形、应力等力学参量都可以通过模拟一并得到。本文结果表明,改变结构形状可以有效控制磁畴结构的形态,适当的外应力可以改变磁畴结构及其对外磁性的大小。     

悬臂铁磁板磁弹性耦合作用的力学分析

对有限板宽的悬臂铁磁板在外磁场中的磁弹性相互耦合作用的力学行为，建立了描述板弯曲和稳定性的理论模型及有限元定量分析程序，研究了外磁场倾斜角对板磁弹性失稳的临界磁场值的影响。     

Methodology for the Stress Measurement of Ferromagnetic Materials by Using Magneto Acoustic Emission

Magneto acoustic emission (MAE) is a magnetic nondestructive testing (NDT) method that has been used in different fields for 30 years. MAE is a promising method for the early characterization of damage and the evaluation of the residual stress of ferromagnetic materials. However, this technique is still in its early stage and requires further development. The mechanism and influence factors of MAE are still under investigation. Quantitative NDT is difficult because of the lack of robust theoretical bases and models. In this study, we investigated the influence factors of MAE signals systematically and established a mathematical model to describe these influences. The special design of the specimen and the precise control of experimental conditions are the key points for obtaining reasonable experimental results and for developing the model. A methodology for stress assessment was developed on the basis of the proposed model and was verified by using the pure bending test. Results show that stresses within a measureable depth of 4 mm can be evaluated and that the maximum testing error is 30 %.     

Impedance-based non-destructive and non-parametric infrastructural performance evaluation

Among various non-destructive testing (NDT) techniques, the non-parametric impedance-based method using smart piezoceramic wafers to identify structural damage possesses the advantage of being independent of the detailed structural knowledge such as the geometry and material properties. This paper presents the experimental results showing the feasibility of using impedance-based NDT to identify damage in concrete—the important material used in many infrastructures.     

Nondestructive testing using temporal phase evaluation in speckle interferometry

A novel nondestructive testing (NDT) method is reported in which temporal evolution of the speckles in speckle interferometry is used to measure large object deformations. The basic principle of the method is that continuous object movement introduces fluctuations in the phase of the speckle and is recorded as intensity modulation. Acquiring a large number of frames of the object motion, the phase data for the whole object deformation are then retrieved by the Fourier transformation technique. The method is capable of measuring more than 100 μm in-plane and out-of-plane deformation with speckle interferometry and more than 500 μm for speckle shearing interferometry. The authors discuss the NDT results obtained with the three methods and make some relative comparisons of each.     

非线性超声相控阵无损检测系统及实验研究

相控阵超声无损检测技术近年来在无损检测领域得到了越来越广泛的应用。但当前相控阵超声检测基于传统线性超声,对于材料或结构的微缺陷、微裂纹等缺陷不敏感。研究基于超声的非线性效应的非线性超声无损检测技术对于克服线性超声相控阵技术的不足具有积极的意义。本文设计和开发了基于非线性超声相控阵的无损检测系统,并利用超声检测的标准试件对该系统的性能进行了检验。对比测试了常规线性超声方法、基于滤波的非线性超声方法以及基于反相脉冲的非线性超声方法对于钨丝线靶、超声仿体以及碳钢试块的检测效果。测试结果表明,非线性超声相控阵无损检测技术与传统线性超声相控阵无损检测相比具有空间分辨力高、缺陷分辨力强等优点,而基于反相脉冲的非线性相控阵超声无损检测在空间分辨力上比基于滤波的非线性超声检测方法又有比较显著的提高。     

电子错位散斑的实时时间差技术

本文提出了一种电子错位散斑干涉(ESSPI)的实时时间差技术,并从原理上进行了分析,说明该方法不仅可用于无损检洲,而且还能用于连续变形物体的离面位移及瞬态大变形问题的测试。文中给出了该技术用于无损检测方面的一些结果。     

材料力学性能退化的超声无损检测与评价

材料性能退化总是伴随着某种形式的材料非线性力学行为, 从而引起超声波传播的非线性, 即高频谐波的产生.基于此,材料和结构的超声无损检测与主人技术发展成起来.首先介绍固体介质内的非线性超声波动方程的基础, 并综述了利用超声波传播的非线性特性对结构材料和粘结面的力学性能退化进行无损检测与评价的研究进展.之后对材料在疲劳、拉伸以及蠕变载荷作用下, 其力学性能退化进行超声无损检测与评价的试验研究进行了介绍;综述了超声波传播非线性的机理研究, 以及利用超声波对粘结面的粘结强度及其力学性能退化评估所开展的研究. 最后指出了今后该领域需要进一步研究的问题.      

Ultrasonic testing of non-metallic materials: concrete and marble

Experimental investigation is made to examine the ability of non-destructive testing (NDT) methods for evaluating the integrity of non-metallic materials. Among the known methods, the ultrasonics seem to stand out because the method could be used to determine many properties of the material. Examined in the work are construction materials such as concrete and marble. In particular, the dynamic moduli of elasticity and damage states due to fracture are studied.     

An ultrasonic technique for nondestructive testing of butt-welded steel plate in ship hulls

This paper proposes an ultrasonic nondestructive testing (NDT) method for underwater-diver inspection of shiphull welds. The specimens used were prepared with various induced cracks in the vicinity of the welds. The type of flow considered is a transverse crack in the heat-affected zone in a butt-welded seam. An automated data analysis is developed to scan, locate and characterize cracks using the pulse-echo technique with a single focus transducer. Specimens and probes were submerged in sea water as an additional exercise in simulating operating conditions. Calibration of the NDT characterization was established by first heat tinting to register the size of the induced crack and subsequently to load the specimen to failure so as to examine the crack. The results show that the actual crack length and the maximum load to failure for each cracked specimen were comparable with the test data obtained from the NDT. presently at mechanical Engineering Department, King Abdulaziz University, P.O. Box 9027, Jeddah 21413, Saundi Arabia.     

电子错位散斑干涉术用于无损检测的探讨

本文叙述应用电子错位散斑干涉仪于各种缺陷的无损检测的装置原理、各种加载方式的特点.文中详细探讨了缺陷检测定量分析的理论依据,提出了对各种不同材料缺陷检测的限制并进行了实验验证;提出了提高条纹清晰度的方法.从而解决了电子错位散斑干涉术在无损检测实际应用中的各项具体问题.     

囊体布热合缺陷的锁相热成像无损检测技术研究

囊体布热合缺陷的无损检测是系留气球生产过程中急需解决的关键问题。本文通过对锁相热成像检测技术的理论与实验研究,设计了一套可现场应用的囊体布热合缺陷无损检测系统,实现了热合缺陷的自动识别与定位,甚至可以进一步区分热合缺陷的类型,具有较高的可靠度和较强的抗干扰能力。该系统不仅可用于囊体布的热合缺陷检测,还可广泛应用于相关材料或结构的无损缺陷检测中。