CN106970141A - 一种利用磁记忆信号变化对拉应力进行预测的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种利用磁记忆信号变化对拉应力进行预测的方法，其特征在于，包括如下步骤:步骤1，将试样装夹于疲劳试验机上，对所述试样加载工作载荷，并测量并记录各个工作载荷强度下的金属磁记忆信号数据；步骤2，对所记录的金属磁记忆信号数据进行预处理；步骤3，对所述试样进行弹性阶段与塑性阶段的拉应力加载和卸载工作载荷条件下的磁记忆信号测试，对磁记忆信号分量进行比较；步骤4，分析磁记忆信号分量的变化规律与拉应力之间的关系。

Description

一种利用磁记忆信号变化对拉应力进行预测的方法
技术领域
本发明属于金属构件磁性无损检测领域，更具体地说，是一种基于金属磁记忆信号及其参量变化特征对构件所受的拉应力进行预测，定性表征构件拉应力的分布情况的方法，属于无损检测中金属磁记忆检测领域。
背景技术
金属磁记忆检测技术是20世纪90年代后期发展起来的一种新型的无损检测与评价技术，处于地磁环境下的铁质工件受工作载荷的作用，其内部会发生具有磁致收缩性质的磁畴组织定向和不可逆的取向，并在地磁环境中表现为应力集中区局部磁场异常，形成所谓的“漏磁场”，并在工作载荷消失后仍能保留，这就是磁记忆检测的物理基础，磁记忆无损检测方法就是在这种情况下检测出应力与变形集中区形成最大的漏磁场Hp的变化，即磁场的切向分量Hp(x)具有最大值，而法向分量Hp(y)改变方向并有零值点。这种磁场状态的不可逆变化在工作载荷消除后继续保留，从而通过漏磁场法向分量Hp(y)的测定，便可推测工件的应力集中区。
利用铁磁性材料的磁机械效应来检测铁磁构件应力集中部位和应力集中程度。根据磁机械效应理论，应力和磁场的作用会导致铁磁材料内部磁畴结构的变化，进而会改变铁磁材料的磁场，在铁磁材料的表面就会产生漏磁场。因此，通过检测铁磁材料表面磁场信号的变化即有可能对其受力状况进行评估。理论研究表明，在应力与变形集中区形成的漏磁场的切向分量具有最大值，法向分量改变符号且具有零值点。由于磁记忆信号对应力的变化非常敏感，因此金属磁记忆检测技术可用于检测铁磁材料的早期损伤，如应力集中、微观缺陷和机械性能的退化。与其他无损检测方法相比，金属磁记忆检测由于不需要专门的磁化设备、设备轻便、操作简单而引起广泛关注。目前，这种技术已经用于多个领域，如锅炉、电站、压力容器、油气管道等。
应力改变铁磁体的磁性和磁化状态。它主要在如下几个方面产生作用：使磁体形成多畴；产生新的各向异性，使磁化强度平行或垂直于应力方向；使材料硬化；可在夹杂物或缺陷处形成弥散场，增加材料内部的退磁场等。但应力不能单独产生净磁场。
我们对石油天然气管道的焊接裂纹进行金属磁记忆检测技术检测时，如何根据磁场分布情况，来获取构建的应力状态是迫切要解决的问题。
利用小波分析技术提取了磁信号特征参量，研究磁记忆信号分形维数的变化规律，开发出焊接裂纹的金属磁记忆信号特征分析系统，初步实现利用金属磁记忆技术对焊接裂纹的定量化检测；通过测量钢管焊缝附近受力影响区域的磁场分布情况，得出磁场分布与应力分布具有定性的关系；本发明利用金属磁记忆技术检测构件所受拉应力，得出磁记忆信号的分量与拉应力的对应关系，从而利用磁记忆信号的变化来预测构件所受的拉应力。
发明内容
本发明之一目的利用磁信号及其特征参量变化特征，对构件所受不同大小的拉应力进行预测，以表征构件的受力情况，为构件的早期损伤提供预警。
为达到上述目的，本发明一种利用磁记忆信号变化对拉应力进行预测的方法，包括如下步骤:
步骤1，将试样装夹于疲劳试验机上，对所述试样加载工作载荷，并测量并记录各个工作载荷强度下的金属磁记忆信号数据；
步骤2，对所记录的金属磁记忆信号数据进行预处理；
步骤3，对所述试样进行弹性阶段与塑性阶段的拉应力加载和卸载工作载荷条件下的金属磁记忆信号测试，对金属磁记忆信号的分量进行比较；
步骤4，分析金属磁记忆信号分量的变化规律与拉应力之间的关系。
上述的一种利用磁记忆信号变化对拉应力进行预测的方法，所述步骤1还包括：
步骤11，加载工作载荷前，在所述试样上画出测量线；
步骤12，在无工作载荷的情况下，用金属磁记忆检测仪沿着某一条测量线测量，记录金属磁记忆信号数据D1；
步骤13，对所述试样加载工作载荷，直到工作载荷达到20Mp时停止加载；
步骤14，对步骤13中的所述试样用所述金属记忆检测仪在线测量，并记录所述试样的金属磁记忆信号数据D2；
步骤15，卸载所述试样的工作载荷到0载荷；
步骤16，用所述金属记忆检测仪检测步骤15中的所述试样，并记录所述试样的金属磁记忆信号数据D3；
步骤17，以20MPa工作载荷递增加载到步骤16中的所述试样上；每次加载后用所述金属记忆检测仪检测所述试样，并记录每一次加载后的所述试样的金属磁记忆信号数据Dn；
步骤18，卸载加载到步骤17所述试样上的工作载荷，并用所述金属记忆检测仪测量卸载工作载荷后的所述试样，并记录所述试样的金属磁记忆信号数据Dn+1，然后再重复进行步骤11-步骤18，直到试样断裂。
上述的一种利用磁记忆信号变化对拉应力进行预测的方法，对步骤12、14、16、17、18所记录的金属磁记忆信号数据进行平滑处理。
上述的一种利用磁记忆信号变化对拉应力进行预测的方法，所述弹性阶段为80MPa工作载荷的拉应力加载试样，记载80MPa工作载荷的拉应力加载试样条件下的金属磁记忆信号数据
上述的一种利用磁记忆信号变化对拉应力进行预测的方法，所述塑性阶段为40MPa工作载荷的拉应力加载试样，记载40MPa工作载荷的拉应力加载试样条件下的金属磁记忆信号数据。
附图说明
图1拉伸试样形状示意图及测量线。
图2-1试样加载至80MPa与卸载时磁记忆信号的法向分量比较曲线图。
图2-2试样加载至80MPa与卸载时磁记忆信号的切向分量比较曲线图。
图3-1试样加载至400MPa与卸载时磁记忆信号的法向分量比较曲线图。
图3-2试样加载至400MPa与卸载时磁记忆信号的切向分量比较曲线图。
图4-1测量线2磁记忆信号法向分量在弹性阶段下的变化曲线图。
图4-2测量线2磁记忆信号法向分量在塑性阶段下的变化曲线图。
图5-1测量线2磁记忆信号切向分量在弹性阶段下的变化曲线图。
图5-2测量线2磁记忆信号切向分量在塑性阶段下的变化曲线图。
图6-1测量线2磁记忆信号法向分量处理后在弹性阶段下的变化曲线图。
图6-2测量线2磁记忆信号法向分量处理后在塑性阶段下的变化曲线图
图7-1测量线2磁记忆信号切向分量处理后在弹性阶段下的变化曲线图。
图7-2测量线2磁记忆信号切向分量处理后在塑性阶段下的变化曲线图。
图8-1弹性阶段不同应力下磁记忆信号合成后x＝20、50时的变化规律曲线图(一)。
图8-2弹性阶段不同应力下磁记忆信号合成后x＝20、50时的变化规律曲线图(二)。
具体实施方式
有关本发明的详细说明及技术内容，配合附图说明如下，然而所附附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。
本发明的技术方案是将磁记忆检测技术与静载拉伸方法相结合，并在加载和卸载及不同拉应力水平状态下测量构件表面磁记忆信号的法向分量和切向分量，分析磁记忆信号法向分量和切向分量的变化规律，建立磁记忆信号的特征与构件拉应力的关系，从而利用磁记忆信号的变化来预测构件所受拉应力的情况。所述的方法主要包括以下步骤：
步骤1，将试样装夹于疲劳试验机上，对所述试样加载工作载荷，并测量并记录各个工作载荷强度下的金属磁记忆信号数据；步骤1还包括如下步骤：
步骤11，加载工作载荷前，在所述试样上画出测量线；将试样(如图1所示)装夹于疲劳试验机上，加载前用金属磁记忆检测仪沿着3条预先画好的测量线(测量线2位于试样中心位置，测量线1、2、3之间相距15mm)在线测量一次，然后对试样加载。
步骤12，在无工作载荷的情况下，用金属磁记忆检测仪沿着某一条测量线测量，记录金属磁记忆信号数据D1；
步骤13，对所述试样加载工作载荷，直到工作载荷达到20Mp时停止加载；
步骤14，对步骤13中的所述试样用所述金属记忆检测仪分别沿着预先画好的某一条测量线例如测量线2在线测量，并记录所述试样的金属磁记忆信号数据D2；
步骤15，卸载加载到所述试样的工作载荷至0载荷；
步骤16，利用所述金属记忆检测仪沿着测量线2测量该试样，并记录金属磁记忆信号数据D3
步骤17，以20MPa工作载荷递增加载到步骤16中的所述试样上；每次加载后用所述金属记忆检测仪检测所述试样，并记录每一次加载后的所述试样的金属磁记忆信号数据Dn，其中(n>3)；
步骤18，卸载加载到步骤17所述试样上的工作载荷，并用所述金属记忆检测仪测量卸载工作载荷后的所述试样，并记录所述试样的金属磁记忆信号数据Dn+1，然后再重复进行步骤11-步骤18，直到试样断裂。
步骤2，对所记录的金属磁记忆信号数据进行预处理；对步骤12、14、16、17、18所记录的金属磁记忆信号数据进行平滑处理。金属磁记忆信号是铁磁材料在载荷和微弱地球磁场的共同作用下产生的，以微弱散射磁场的形式在工件表面呈现出来，其本身信号较弱，而在检测过程中又不可避免的会受到检测仪器本身或者是外界因素的干扰而混入噪声。因此，实际检测出的磁记忆信号不易识别，信号特征很难表征试件受力情况。基于此，利用计算软件对磁记忆信号作平滑处理。
步骤3，对不同条件下的磁记忆信号分量进行比较，对所述试样进行弹性阶段与塑性阶段的拉应力加载和卸载工作载荷条件下的金属磁记忆信号测试，对金属磁记忆信号的分量进行比较。为了得出金属磁记忆信号的分量在加载与卸载条件下的变化特征，对试样进行80MPa(弹性阶段)与400MPa(塑性阶段)的拉应力加载和卸载条件下的磁记忆信号测试；同时为了表征不同拉应力水平下的磁记忆信号分量变化特征，分别测试试件在弹性阶段和塑性阶段下不同拉应力水平的磁记忆信号。
步骤4，分析磁记忆信号的分量的变化规律与拉应力之间的关系，而利用磁记忆无损检测的磁记忆信号分量的变化来预测构件所受拉应力的情况。
以下通过实施例对本发明作进一步阐述，一种基于金属磁记忆技术及其特征参数的变化表征构件在拉伸过程中弹性阶段和塑性阶段的拉应力情况的方法。在表征弹性阶段和塑性阶段的加载与卸载情况，拉应力分别为80MPa和400MPa；并且测试了测量线2在不同拉力水平下的磁记忆信号处理前后的变化规律。
实施例1：
用80MPa表征弹性阶段的情况，400MPa表征塑性阶段的情况。本发明采用的试样为一中间缩径圆弧状的长板，包括一缩径圆弧状板、以及两直板，缩径圆弧状板两边分别连接两直板，缩径圆弧状板、以及两直板一体成型，试样的总长为400mm，直板宽80mm，两直板长分别为100mm，缩径圆弧状板宽50mm，本发明测量线的长度为80mm，该些测量线位于缩径圆弧状板上。
1.在试样加载前检测其磁记忆信号情况，加载至80MPa时检测其磁记忆信号，然后将载荷卸载后检测磁记忆信号。
2.测试试样加载到400MPa以及卸载时的磁记忆信号变化情况。
3.比较80MPa和400MPa下磁记忆信号的变化情况。从图2-1,2-2和图3-1,3-2中可以看出，两次测量的磁记忆信号曲线有很大的不同。在弹性阶段，加载与卸载状态时的磁记忆信号曲线形状相似，但其数值不同。加载时的法向分量数值及变化范围较卸载时大，与磁记忆信号法向分量不同，切向分量值在卸载时较加载时有较大的增加。因此，磁记忆信号法向分量与切向分量的变化规律并不一样。塑性阶段时，加载与卸载状态时测量的磁记忆信号曲线形状发生很大的变化，信号值及变化范围也发生变化。其中加载时的磁记忆信号法向分量曲线相较卸载时，其测量起始点信号绝对值增加，测量终止点信号值减少，而切向分量有一个很大的增加。
实施例2：
测试图1中的测量线2在不同拉应力水平下的磁记忆信号，并对其进行平滑处理。所采用的试样与实施例1相同。
图4-1、图4-2和图5-1、图5-2分别为测量线2在弹性阶段和塑性阶段的应力水平下的磁记忆信号的法向分量(Hp(y))和切向分量(Hp(x))。
图3-1、图3-2为试样加载至400MPa与卸载时磁记忆信号比较曲线图，由图可知，记忆信号在50mm处有一个交点。试样在未加载时，Hp(y)值为-109A/m至-43A/m，Hp(x)值为114A/m至155A/m；加载应力为40MPa时Hp(y)值变为-83A/m至-63A/m，Hp(x)值变为83A/m至112A/m，信号绝对值的最大值及变化范围逐渐减小。当应力继续增加时，Hp(y)曲线以交点为轴做顺时针旋转，Hp(x)随着应力的增加而降低；在应力达到140MPa后，Hp(x)与Hp(x)值的变化幅度较小。试样的应力水平在屈服强度以上时，Hp(y)曲线随着塑性变形的增加逆时针旋转，Hp(x)值逐渐增加。
试件初始磁记忆信号Hp(y)和Hp(x)分别如图4-1，图4-2和图5-1，图5-2中0MPa时的曲线所示，这些信号一般做无规律变化。为了消除初始磁化对试样磁化的影响，对磁记忆信号作如下处理：
DeltaHp(y)＝Hp(yi)-Hp(y0) (1)
DeltaHp(x)＝Hp(xi)-Hp(x0) (2)
式中：Hp(y0)、Hp(x0)表示在未加载时测得的磁记忆信号法向分量和切向分量；Hp(yi)、Hp(xi)表示在各应力下测得的磁记忆信号法向分量和切向分量。
信号处理后，Hp(y)、Hp(x)的变化如图6-1，图6-2和图7-1，图7-2所示。可见，随着应力的增加，磁记忆信号法向分量Hp(y)和切向分量的绝对值|Hp(x)|都逐渐增加。试样发生塑性变形时，Hp(y)曲线逆时针旋转，|Hp(x)|值减小。消除初始磁记忆信号的影响后，对磁记忆信号法向分量和切向分量进行合成，并提取x＝20mm、50mm处在弹性阶段不同应力时的信号值H20、H50，如图8-1和如图8-2所示，弹性阶段不同应力下磁记忆信号合成后x＝20、50时的变化规律曲线图，由图可知，信号值在应力较小时随着应力的增加而增加，当应力增加到140MPa后，信号值达到稳定，继续增加应力时信号值变化不大。当试样发生塑性变形时，磁记忆信号值降低。
金属磁记忆信号与拉应力值有相应的对应关系，利用金属磁记忆信号的变化规律可以很好地预测拉应力的分布情况。

Claims (5)

1.一种利用磁记忆信号变化对拉应力进行预测的方法，其特征在于，包括如下步骤:
步骤1，将试样装夹于疲劳试验机上，对所述试样加载工作载荷，并测量并记录各个工作载荷强度下的金属磁记忆信号数据；
步骤2，对所记录的金属磁记忆信号数据进行预处理；
步骤3，对所述试样进行弹性阶段与塑性阶段的拉应力加载和卸载工作载荷条件下的金属磁记忆信号测试，对金属磁记忆信号的分量进行比较；
步骤4，分析金属磁记忆信号分量的变化规律与拉应力之间的关系。
2.如权利要求1所述的一种利用磁记忆信号变化对拉应力进行预测的方法，其特征在于，所述步骤1还包括：
步骤11，加载工作载荷前，在所述试样上画出测量线；
步骤12，在无工作载荷的情况下，用金属磁记忆检测仪沿着某一条测量线测量，记录金属磁记忆信号数据D1；
步骤13，对所述试样加载工作载荷，直到工作载荷达到20Mp时停止加载；
步骤14，对步骤13中的所述试样用所述金属记忆检测仪在线测量，并记录所述试样的金属磁记忆信号数据D2；
步骤15，卸载所述试样的工作载荷到0载荷；
步骤16，用所述金属记忆检测仪检测步骤15中的所述试样，并记录所述试样的金属磁记忆信号数据D3；
步骤17，以20MPa工作载荷递增加载到步骤16中的所述试样上；每次加载后用所述金属记忆检测仪检测所述试样，并记录每一次加载后的所述试样的金属磁记忆信号数据Dn；
步骤18，卸载加载到步骤17所述试样上的工作载荷，并用所述金属记忆检测仪测量卸载工作载荷后的所述试样，并记录所述试样的金属磁记忆信号数据Dn+1，然后再重复进行步骤11-步骤18，直到试样断裂。
3.如权利要求2所述的一种利用磁记忆信号变化对拉应力进行预测的方法，其特征在于，对步骤12、14、16、17、18所记录的金属磁记忆信号数据 进行平滑处理。
4.如权利要求1所述的一种利用磁记忆信号变化对拉应力进行预测的方法，其特征在于，所述弹性阶段为80MPa工作载荷的拉应力加载试样，记载80MPa工作载荷的拉应力加载试样条件下的金属磁记忆信号数据。
5.如权利要求1所述的一种利用磁记忆信号变化对拉应力进行预测的方法，其特征在于，所述塑性阶段为40MPa工作载荷的拉应力加载试样，记载40MPa工作载荷的拉应力加载试样条件下的金属磁记忆信号数据。
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