CN111323476A - 基于力磁效应的裂纹方向判断方法 - Google Patents

基于力磁效应的裂纹方向判断方法 Download PDF

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CN111323476A CN202010288049.7A CN202010288049A CN111323476A CN 111323476 A CN111323476 A CN 111323476A CN 202010288049 A CN202010288049 A CN 202010288049A CN 111323476 A CN111323476 A CN 111323476A
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Abstract

本发明提供一种基于力磁效应的裂纹方向判断方法，首先以裂纹点为参考点，在0度至180度范围内设置m+1条扫查路径，然后依次施加与扫查路径方向一致的拉伸载荷，测定扫查路径裂纹点对应的散射磁场强度垂直分量的梯度值，并寻找最大值，最后以梯度值最大的扫查路径作为参考，绘制通过裂纹点且垂直于扫查路径的直线，直线方向即为裂纹方向。本发明方法以裂纹点的磁场梯度值为抓手，采用遍历法来计算最大磁场梯度值，从而确定裂纹扩展方向，重复测量进而可以近似重构出裂纹的扩展路径。本发明所采用的判定方法准确可靠，适用于表面开口裂纹和未开口表层裂纹等多种类型裂纹，应用范围广泛，具有很高的工程应用价值。

Description

基于力磁效应的裂纹方向判断方法
技术领域
本发明涉及装备可靠性和安全评估领域，特别涉及一种基于力磁效应的裂纹方向判断方法。
背景技术
裂纹是装备或构件中最为常见也是最为危险的缺陷形式，裂纹一旦发生扩展，会严重影响待检测设备或构件的安全服役，因此需要准确确定裂纹的扩展路径，评价待检测设备/构件的安全程度，制定相应的维修措施，例如在裂纹路径前端设置止裂孔来抑制裂纹扩展。
确定裂纹扩展路径的本质是在于判定裂纹方向。但是，受构件材料不均匀性等诸多因素的影响，实际工程裂纹扩展方向具有一定的随机性，裂纹形状多为弯曲型，目前尚未有精确的理论模型能实现裂纹方向的判定。无损评估技术可以通过分析待检测设备/构件的声、光、电、热、磁等多物理场信息来评估损伤情况，是弥补理论模型不足的重要技术手段，但是在外场快速判定裂纹方向，仍存在一定的局限性，具体如下：
(1)射线检测对实施现场要求很高，需要配备专用的防辐射措施，外场实施较为困难；
(2)渗透检测虽然能通过着色剂将表面开口缺陷很好地显现出来，但是需要事先对裂纹部位进行表面处理，去除涂层、漆层或锈蚀等覆盖物，会破坏了装备/构件的表面状态，并且渗透检测也不适用于未开口表层裂纹的检测；
(3)磁粉检测可以将铁磁性材料的表面开口或未开口表层裂纹的形貌通过荧光磁痕现实出来，但是需要借助专用的磁化装置来实施，不利于外场实施。
现有公开的专利技术文本中，《利用超声电磁原理评估金属裂纹走向与深度的装置及方法》(公开号CN104634866B)阐述了一种采用超声与涡流组合检测方式来评估金属裂纹走向的方法，该方法通过一个涡流检测点探头和两个超声检测斜探头制作组合探头扫查机构，首先用涡流方法定位金属材料表面裂纹开口位置及评估裂纹深度当量，而后用超声方法评估裂纹深度方向走向及裂纹深度当量。该方法所采用的待检测设备组成复杂，操作繁琐，对外场操作实施造成很大的约束。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于力磁效应的裂纹方向判断方法，主要为了简化操作步骤，减少对外场操作实施造成的约束，同时适用于表面开口裂纹和未开口表层裂纹等多种类型裂纹，应用范围更加广泛，具有很高的工程应用价值。
本发明提供了一种基于力磁效应的裂纹方向判断方法，首先以裂纹点为参考点，在0度至180度范围内设置m+1条扫查路径，然后依次施加与扫查路径方向一致的拉伸载荷，测定扫查路径各点散射磁场强度垂直分量的梯度值并寻找最大值，最后以梯度值最大的扫查路径作为参考，绘制通过裂纹点且垂直于扫查路径的直线，直线方向即为裂纹方向。
裂纹方向判断方法的具体实施步骤如下：
S1、在待检测设备或者构件的裂纹点发现未知方向的裂纹后，把裂纹点的几何位置作为参考点O1，并在裂纹所在的平面上建立第一条扫查路径P0；
S2、将所述第条一扫查路径P0的起始点置于O1点的第一侧，将所述扫查路径P0的终止点置于O1点的第二侧，所述起始点和所述终止点关于所述O1点对称分布，且分别距离O1点的距离均为L，即所述第一条扫查路径P0的长度为2L；
S3、沿所述第一条扫查路径P0的方向，对待检测设备或构件的裂纹点施加拉伸载荷σ0，所述拉伸载荷σ0加载至步骤S5结束，所述拉伸载荷σ0的方向垂直于裂纹面，即裂纹点处于平面拉伸的应力状态；
S4、所述控磁敏传感器以恒定的提离值，匀速沿第一条扫查路径P0进行扫描，采集第一条扫查路径P0上各点散射磁场的垂直分量的磁场强度；
S5、对采集的散射磁场的垂直分量的磁场强度的分布进行分析，并计算第一条扫查路径P0上裂纹点的梯度值Grad0；
S6、解除步骤S3施加的拉伸载荷σ0，并将第一条扫查路径P0以O1点为旋转中心，在裂纹所在平面内依次顺时针或者逆时针旋转，旋转角度依次为θ1、θ2、θ3…θm，其中θm>…>θ3>θ2>θ1，，直至θm＝180°，形成第二条扫查路径P1、第三条扫查路径P2、…第m条扫查路径Pm-1，接着分别以第二条扫查路径P1、第三条扫查路径P2、…第m条扫查路径Pm-1为基准，重复步骤S2～S5后，获得散射磁场的垂直分量的磁场强度的梯度值集合(Grad0～Gradm)；
S7、计算散射磁场的垂直分量的磁场强度的梯度值集合的最大值Gradn，即Gradn＝Max(Grad0～Gradm),其中0≤n≤m；
S8、将Gradn对应的扫查路径Pn作为基准，并在裂纹所在的平面内，绘制一条垂直于扫查路径Pn、以参考点O1为中心和长度为2D的直线S1，将Gradn对应的扫查路径Pn作为基准，并在裂纹所在的平面内，绘制一条垂直于扫查路径Pn且以参考点O1为中心的直线S1，所述直线S1的两端分别与参考点O1的距离为D，所述直线S1的方向即为裂纹点O1的方向；
S9、分别以直线S1的两个端点作为裂纹点的参考点O2和O3，重复步骤S1～S8，分别绘制出直线S2和S3，依次联接S1、S2和S3等直线，可以近似重构出裂纹的扩展路径。
可优选的是，所述步骤S6具体包括以下步骤：
S61、以裂纹点O1为旋转中心，以第一条扫查路径P0为参考，在裂纹所在平面内顺时针旋转一定的角度，形成第二条扫查路径P1，将第二扫查路径P1的起始点置于O1点的第一侧，将第二扫查路径P1的终止点置于O1点的第二侧，起始点和终止点关于O1点对称分布，且分别距离O1点的距离相等；
S62、根据合金钢材料的弹性极限选取第二拉伸载荷σ1，并沿第二条扫查路径P1的方向对构件施加第二拉伸载荷σ1并保持至步骤64结束，第二拉伸载荷σ1的作用方向通过裂纹点O1并垂直于裂纹面；
S63、控制霍尔元器件沿第二拉伸载荷σ1作用线的方向匀速扫描，并通过裂纹点O1，其中设定霍尔元器件的提离值恒定为1mm，扫描速度为1mm/s，扫描长度为10mm；最后将霍尔元器件采集获取的各点的散射磁场的垂直分量的磁场强度数据存储至采集仪器；
S64、根据在裂纹点部位，散射磁场的垂直分量的磁场强度分布呈现梯度值的特征，对采集的散射磁场的垂直分量的磁场强度的分布进行分析，并计算第二条扫查路径P1上各点的梯度值Grad1；
S65、解除步骤S62施加的第二拉伸载荷σ1，以裂纹点O1为旋转中心，以第一条扫查路径P0为参考，在裂纹所在平面内顺时针旋转一定的角度，形成第三条扫查路径P2，将第三条扫查路径P2的起始点置于O1点的第一侧，将第三扫查路径P2的终止点置于O1点的第二侧，起始点和终止点关于O1点对称分布，且分别距离O1点的距离相等；
S66、根据合金钢材料的弹性极限选取第三拉伸载荷σ2，并沿第三条扫查路径P2的方向对构件施加第三拉伸载荷σ2并至步骤S68结束，第三拉伸载荷σ2的作用方向通过裂纹点O1并垂直于裂纹面；
S67、控制霍尔元器件沿第三拉伸载荷σ2作用线的方向匀速扫描，并通过裂纹点O1，其中设定霍尔元器件的提离值恒定为1mm，扫描速度为1mm/s，扫描长度为10mm；最后将霍尔元器件采集获取的各点的散射磁场的垂直分量的磁场强度数据存储至采集仪器；
S68、根据在裂纹点部位，散射磁场的垂直分量的磁场强度分布呈现梯度值的特征，对采集的散射磁场的垂直分量的磁场强度的分布进行分析，并计算第三扫查路径P2上各点的梯度值Grad2；
S69、解除步骤S66施加的第三拉伸载荷σ2，以裂纹点O1为旋转中心，以第一条扫查路径P0为参考，在裂纹所在平面内顺时针旋转一定的角度，形成第四条扫查路径P3，将第四扫查路径P3的起始点置于O1点的第一侧，将第四扫查路径P3的终止点置于O1点的第二侧，起始点和终止点关于O1点对称分布，且分别距离O1点的距离相等；
S610、根据合金钢材料的弹性极限选取第四拉伸载荷σ3，并沿第四条扫查路径P3的方向对构件施加第四拉伸载荷σ3并至步骤S612结束，第四拉伸载荷σ3的作用方向通过裂纹点O1并垂直于裂纹面；
S611、控制霍尔元器件沿第四拉伸载荷σ3作用线的方向匀速扫描，并通过裂纹点O1，其中设定霍尔元器件的提离值恒定为1mm，扫描速度为1mm/s，扫描长度为10mm；最后将霍尔元器件采集获取的各点的散射磁场的垂直分量的磁场强度数据存储至采集仪器；
S612、根据在裂纹点部位，散射磁场的垂直分量的磁场强度分布较大梯度值的特征，对采集的散射磁场的垂直分量的磁场强度的分布进行分析，并计算第四扫查路径P3上各点的梯度值Grad3。
进一步，第一条扫查路径P0、第二条扫查路径P1、第三条扫查路径P2和第四条扫查路径P3的长度均相等；在同一拉伸实验中，第一拉伸载荷σ0、第二拉伸载荷σ1、第三拉伸载荷σ2和第四拉伸载荷σ3在弹性极限范围内，取相同的值，不同的拉伸试验，拉伸载荷在弹性极限范围内，可以取不同的值。
进一步，所述的扫查路径的相邻的两组旋转角度的间隔在10°以上。
进一步，所述待检测设备或者构件由铁磁性材料制成，所述铁磁性材料为具有自发性磁化现象的磁性状态材料。
进一步，所述的用于判断裂纹方向的磁场梯度值，是指由裂纹存在形成的特殊磁场信号垂直分量梯度值，特殊磁场的特征在于磁场信号具有过零点并且具有极大的梯度值。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明借助铁磁性材料具备的力磁效应特性，通过施加机械应力的方式代替专用磁化装置对待检测设备或构件的裂纹进行定点磁化，增强了裂纹的特征，便于快速准确地识别计算裂纹的磁特征参量。本发明对检测装置要求不高，操作简单，更利于待检测设备或构件的外场裂纹检测。
2.本发明以裂纹点的磁场梯度值为抓手，采用遍历法计算裂纹点的最大磁场梯度值，确定裂纹点最大磁场梯度值的垂直方向为裂纹方向，进而可以近似重构出裂纹扩展路径。本发明所采用的判定方法准确可靠，适用于表面开口裂纹和未开口表层裂纹等多种类型裂纹，应用范围广泛；判定结果可以为待检测设备或构件开展可靠性分析和安全评估提供有力的支撑，具有很高的工程应用价值。
附图说明
图1为本发明基于力磁效应的判定裂纹方向的流程图；
图2为本发明基于力磁效应的裂纹方向判断方法中设定扫查路径的示意图；以及
图3为本发明基于力磁效应的裂纹方向判断方法中采集磁场强度的数据图。
具体实施方式
为详尽本发明之技术内容、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。
基于力磁效应的裂纹方向判断方法，如图1所示，首先以裂纹点为参考点，在0度至180度范围内设置m+1条扫查路径，然后依次施加与扫查路径方向一致的拉伸载荷，测定扫查路径各点散射磁场强度垂直分量的梯度值，并寻找最大值，最后以梯度值最大的扫查路径作为参考，绘制通过裂纹点且垂直于扫查路径的直线，直线方向即为裂纹方向。
裂纹方向判断方法的具体实施步骤如下：
S1、在待检测设备或者构件的裂纹点发现未知方向的裂纹后，把裂纹点的几何位置作为参考点O1，并在裂纹所在的平面上建立第一条扫查路径P0，如图2所示；
S2、将第一条扫查路径P0的起始点置于O1点的第一侧，将扫查路径P0的终止点置于O1点的第二侧，起始点和终止点关于O1点对称分布，且分别距离O1点的距离均为L，即第一条扫查路径P0的长度为2L；
S3、沿第一条扫查路径P0的方向，对待检测设备或构件的裂纹点施加拉伸载荷σ0，拉伸载荷σ0加载至步骤S5结束，拉伸载荷σ0的方向垂直于裂纹面，即裂纹点处于平面拉伸的应力状态；
S4、控磁敏传感器以恒定的提离值，匀速沿第一条扫查路径P0进行扫描，采集第一条扫查路径P0上各点散射磁场的垂直分量的磁场强度；
S5、根据在裂纹点部位，散射磁场的垂直分量的磁场强度分布呈现较大梯度值的特征，对采集的散射磁场的垂直分量的磁场强度的分布进行分析，并计算第一条扫查路径P0上裂纹点的梯度值Grad0；
S6、解除步骤S2施加的拉伸载荷σ0，并将第一条扫查路径P0以O1点为旋转中心，在裂纹所在平面内依次顺时针或者逆时针旋转，旋转角度依次为θ1、θ2、θ3…θm(θm>…>θ3>θ2>θ1)，直至θm＝180°，形成第二条扫查路径P1、第三条扫查路径P2、…第m条扫查路径Pm-1，接着分别以第二条扫查路径P1、第三条扫查路径P2、…第m条扫查路径Pm-1为基准，重复步骤S2～S5后，获得散射磁场的垂直分量的磁场强度的梯度值集合(Grad0～Gradm)；
S7、计算散射磁场的垂直分量的磁场强度的梯度值集合的极大值Gradn，即Gradn＝Max(Grad0～Gradm),其中0≤n≤m；
S8、将Gradn对应的扫查路径Pn作为基准，并在裂纹所在的平面内，绘制一条垂直于扫查路径Pn、以参考点O1为中心和长度为2D的直线S1，将Gradn对应的扫查路径Pn作为基准，并在裂纹所在的平面内，绘制一条垂直于扫查路径Pn且以参考点O1为中心的直线S1，直线S1的两端分别与参考点O1的距离为D，直线S1的方向即为裂纹点O1的方向；
S9、分别以直线S1的两个端点作为裂纹点的参考点O2和O3，重复步骤S1～S8，分别绘制出直线S2和S3，依次联接S1、S2和S3等直线，可以近似重构出裂纹的扩展路径。
步骤S6具体包括以下步骤，步骤S6中的具体步骤其可以根据实际检测应用进行适当的增加或者删除：
S61、以裂纹点O1为旋转中心，以第一条扫查路径P0为参考，在裂纹所在平面内顺时针旋转一定的角度，形成第二条扫查路径P1，将第二扫查路径P1的起始点置于O1点的第一侧，将第二扫查路径P1的终止点置于O1点的第二侧，起始点和终止点关于O1点对称分布，且分别距离O1点的距离相等；
S62、根据合金钢材料的弹性极限选取第二拉伸载荷σ1，并沿第二条扫查路径P1的方向对构件施加第二拉伸载荷σ1并保持至步骤64结束，第二拉伸载荷σ1的作用方向通过裂纹点O1并垂直于裂纹面；
S63、控制霍尔元器件沿第二拉伸载荷σ1作用线的方向匀速扫描，并通过裂纹点O1，其中设定霍尔元器件的提离值恒定为1mm，扫描速度为1mm/s，扫描长度为10mm；最后将霍尔元器件采集获取的各点的散射磁场的垂直分量的磁场强度数据存储至采集仪器；
S64、根据在裂纹点部位，散射磁场的垂直分量的磁场强度分布呈现梯度值的特征，对采集的散射磁场的垂直分量的磁场强度的分布进行分析，并计算第二条扫查路径P1上各点的梯度值Grad1。
S65、解除步骤S62施加的第二拉伸载荷σ1，以裂纹点O1为旋转中心，以第一条扫查路径P0为参考，在裂纹所在平面内顺时针旋转一定的角度，形成第三条扫查路径P2，将第三条扫查路径P2的起始点置于O1点的第一侧，将第三扫查路径P2的终止点置于O1点的第二侧，起始点和终止点关于O1点对称分布，且分别距离O1点的距离相等；
S66、根据合金钢材料的弹性极限选取第三拉伸载荷σ2，并沿第三条扫查路径P2的方向对构件施加第三拉伸载荷σ2并至步骤S68结束，第三拉伸载荷σ2的作用方向通过裂纹点O1并垂直于裂纹面；
S67、控制霍尔元器件沿第三拉伸载荷σ2作用线的方向匀速扫描，并通过裂纹点O1，其中设定霍尔元器件的提离值恒定为1mm，扫描速度为1mm/s，扫描长度为10mm；最后将霍尔元器件采集获取的各点的散射磁场的垂直分量的磁场强度数据存储至采集仪器；
S68、根据在裂纹点部位，散射磁场的垂直分量的磁场强度分布呈现梯度值的特征，对采集的散射磁场的垂直分量的磁场强度的分布进行分析，并计算第三扫查路径P2上各点的梯度值Grad2；
S69、解除步骤S66施加的第三拉伸载荷σ2，以裂纹点O1为旋转中心，以第一条扫查路径P0为参考，在裂纹所在平面内顺时针旋转一定的角度，形成第四条扫查路径P3，将第四扫查路径P3的起始点置于O1点的第一侧，将第四扫查路径P3的终止点置于O1点的第二侧，起始点和终止点关于O1点对称分布，且分别距离O1点的距离相等；
S610、根据合金钢材料的弹性极限选取第四拉伸载荷σ3，并沿第四条扫查路径P3的方向对构件施加第四拉伸载荷σ3并至步骤S612结束，第四拉伸载荷σ3的作用方向通过裂纹点O1并垂直于裂纹面；
S611、控制霍尔元器件沿第四拉伸载荷σ3作用线的方向匀速扫描，并通过裂纹点O1，其中设定霍尔元器件的提离值恒定为1mm，扫描速度为1mm/s，扫描长度为10mm；最后将霍尔元器件采集获取的各点的散射磁场的垂直分量的磁场强度数据存储至采集仪器；
S612、根据在裂纹点部位，散射磁场的垂直分量的磁场强度分布较大梯度值的特征，对采集的散射磁场的垂直分量的磁场强度的分布进行分析，并计算第四扫查路径P3上各点的梯度值Grad3。
第一条扫查路径P0、第二条扫查路径P1、第三条扫查路径P2和第四条扫查路径P3的长度均相等；在同一次拉伸实验中，第一拉伸载荷σ0、第二拉伸载荷σ1、第三拉伸载荷σ2和第四拉伸载荷σ3在弹性极限范围内，取相同的值，不同的拉伸试验，拉伸载荷在弹性极限范围内，可以取不同的值。拉伸载荷σ0，是指不超过材料的弹性极限的载荷，位于材料的弹性变形范围内。
扫查路径的相邻的两组旋转角度的间隔在10°以上。
待检测设备或者构件由铁磁性材料制成，铁磁性材料为具有自发性磁化现象的磁性状态材料。
用于判断裂纹方向的磁场梯度值，是指由裂纹存在形成的特殊磁场信号垂直分量梯度值，特殊磁场的特征在于磁场信号具有过零点并且具有极大的梯度值。
待检测设备或者构件必须由铁磁性材料制成，铁磁性材料，是指具有磁性状态的材料，具有自发性的磁化现象。
扫查路径的旋转角度θ1、θ2、θ3…θm(θm>…>θ3>θ2>θ1)，相邻的两组旋转角度的间隔应在10°以上。
用于判断裂纹方向的磁场梯度值，是指由裂纹存在形成的特殊磁场信号垂直分量梯度值，特殊磁场的特征在于磁场信号具有过零点并且具有极大的梯度值。
直线S1的长度为2D，可以根据梯度值最小的扫查路径中裂纹位置对应的正负峰之间的宽度进行确定。
力磁效应，是指铁磁性材料在应力的作用下表现出的磁性能变化的现象。
磁敏传感器，是指可以感知磁性物体周围的磁场信息，并可通过专用电路将磁场信息转化为各种有用信息的装置。
磁场强度的梯度值，是指磁场强度随空间位移的变化率，方向为磁场强度变化最大的方向，表达式为dH/dx，其中H为磁场强度，x为空间位移。
对于含裂纹的待检测设备或者构件，以裂纹部位作为参考点，在裂纹所在平面内施加通过裂纹点，且间隔一定角度(角度范围0度～180度)的拉伸载荷；接着，分别控制磁敏传感器沿各组拉伸载荷的作用线匀速扫描过裂纹点，计算各组扫查路径上裂纹点处的磁场梯度值，以梯度值最大的扫查路径作为参考，绘制通过裂纹点且垂直于梯度值最大的扫查路径的直线，直线方向即为裂纹方向。继续以绘制直线的两个端点为参考点，重复上述步骤，可以近似重构出裂纹的扩展路径。
以下结合实施例对本发明一种基于力磁效应的裂纹方向判断方法做进一步描述：
S1、首先，在合金钢材料制备的构件的表面O1点处发现了一处开口裂纹，开口裂纹的方向未知；接着把裂纹点的几何位置作为参考点O1，并在裂纹所在的平面上建立第一条扫查路径P0。
S2、将第一条扫查路径P0的起始点置于O1点的第一侧，将扫查路径P0的终止点置于O1点的第二侧，起始点和终止点关于O1点对称分布，且分别距离O1点的距离相等，扫查路径P0长度为10mm。
S3、获得合金钢材料的弹性极限，然后，选取载荷幅值不超过合金钢材料弹性极限的第一拉伸载荷σ0作为施加载荷，数值取为80kN；最后，在构件第一条扫查路径P0的方向上施加选取好的第一拉伸载荷σ0并保持步骤S5结束，第一拉伸载荷σ0的作用方向通过O1点并垂直于裂纹面。
S4、控制霍尔元器件沿第一条扫查路径P0的方向匀速扫描，并通过裂纹点O1，其中设定霍尔元器件的提离值恒定为1mm，扫描速度为1mm/s，扫描长度为10mm；最后将霍尔元器件采集获取的各点的散射磁场的垂直分量的磁场强度数据存储至采集仪器。
S5、根据在裂纹点部位，散射磁场的垂直分量的磁场强度分布呈现较大梯度值的特征，对采集的散射磁场的垂直分量的磁场强度的分布进行分析，并计算第一条扫查路径P0上各点的梯度值Grad0。
S6、解除步骤S2施加的拉伸载荷σ0，并将第一条扫查路径P0以O1点为旋转中心，在裂纹所在平面内依次顺时针或者逆时针旋转，旋转角度依次为θ1、θ2、θ3…θm，其中θm>…>θ3>θ2>θ1，直至θm＝180°，形成第二条扫查路径P1、第三条扫查路径P2、…第m条扫查路径Pm-1，接着分别以第二条扫查路径P1、第三条扫查路径P2、…第m条扫查路径Pm-1为基准，重复步骤S2～S5后，获得散射磁场的垂直分量的磁场强度的梯度值集合Grad0～Gradm；将第一条扫查路径P0以O1点为旋转中心，在裂纹所在平面内依次顺时针旋转，旋转角度依次为20°、60°和120°，并依次施加相对应的拉伸载荷。具体包括以下步骤：
S61、以裂纹点O1为旋转中心，以第一条扫查路径P0为参考，在裂纹所在平面内顺时针旋转20°，形成第二条扫查路径P1，将第二扫查路径P1的起始点置于O1点的第一侧，将第二扫查路径P1的终止点置于O1点的第二侧，起始点和终止点关于O1点对称分布，且分别距离O1点的距离相等。扫查路径P1长度为10mm。
S62、根据合金钢材料的弹性极限选取第二拉伸载荷σ1，并沿第二条扫查路径P1的方向对构件施加第二拉伸载荷σ1并保持至步骤64结束，且σ1＝80kN，第二拉伸载荷σ1的作用方向通过裂纹点O1并垂直于裂纹面。
S63、控制霍尔元器件沿第二拉伸载荷σ1作用线的方向匀速扫描，并通过裂纹点O1，其中设定霍尔元器件的提离值恒定为1mm，扫描速度为1mm/s，扫描长度为10mm；最后将霍尔元器件采集获取的各点的散射磁场的垂直分量的磁场强度数据存储至采集仪器。
S64、根据在裂纹点部位，散射磁场的垂直分量的磁场强度分布呈现较大梯度值的特征，对采集的散射磁场的垂直分量的磁场强度的分布进行分析，并计算第二条扫查路径P1上各点的梯度值Grad1。
S65、解除步骤S62施加的第二拉伸载荷σ1，以裂纹点O1为旋转中心，以第一条扫查路径P0为参考，在裂纹所在平面内顺时针旋转60°，形成第三条扫查路径P2，将第三条扫查路径P2的起始点置于O1点的第一侧，将第三扫查路径P2的终止点置于O1点的第二侧，起始点和终止点关于O1点对称分布，且分别距离O1点的距离相等。扫查路径P2长度为10mm。
S66、根据合金钢材料的弹性极限选取第三拉伸载荷σ2，并沿第三条扫查路径P2的方向对构件施加第三拉伸载荷σ2并至步骤S68结束，且σ2＝80kN，第三拉伸载荷σ2的作用方向通过裂纹点O1并垂直于裂纹面。
S67、控制霍尔元器件沿第三拉伸载荷σ2作用线的方向匀速扫描，并通过裂纹点O1，其中设定霍尔元器件的提离值恒定为1mm，扫描速度为1mm/s，扫描长度为10mm；最后将霍尔元器件采集获取的各点的散射磁场的垂直分量的磁场强度数据存储至采集仪器。
S68、根据在裂纹点部位，散射磁场的垂直分量的磁场强度分布呈现较大梯度值的特征，对采集的散射磁场的垂直分量的磁场强度的分布进行分析，并计算第三扫查路径P2上各点的梯度值Grad2。
S69、解除步骤S66施加的第三拉伸载荷σ2，以裂纹点O1为旋转中心，以第一条扫查路径P0为参考，在裂纹所在平面内顺时针旋转120°，形成第四条扫查路径P3，将第四扫查路径P3的起始点置于O1点的第一侧，将第四扫查路径P3的终止点置于O1点的第二侧，起始点和终止点关于O1点对称分布，且分别距离O1点的距离相等。扫查路径P3长度为10mm。
S610、根据合金钢材料的弹性极限选取第四拉伸载荷σ3，并沿第四条扫查路径P3的方向对构件施加第四拉伸载荷σ3并至步骤S612结束，且σ3＝80kN，第四拉伸载荷σ3的作用方向通过裂纹点O1并垂直于裂纹面。
S611、控制霍尔元器件沿第四拉伸载荷σ3作用线的方向匀速扫描，并通过裂纹点O1，其中设定霍尔元器件的提离值恒定为1mm，扫描速度为1mm/s，扫描长度为10mm；最后将霍尔元器件采集获取的各点的散射磁场的垂直分量的磁场强度数据存储至采集仪器。
S612、根据在裂纹点部位，散射磁场的垂直分量的磁场强度分布呈现较大梯度值的特征，对采集的散射磁场的垂直分量的磁场强度的分布进行分析，并计算第四扫查路径P3上各点的梯度值Grad3。
S7、汇总第一条扫查路径P0、第二条扫查路径P1、第三条扫查路径P2和第四条扫查路径P3四组的磁场强度数据，如图3所示；计算第一条扫查路径P0、第二条扫查路径P1、第三条扫查路径P2和第四条扫查路径P3四组磁场强度数据中裂纹点O1的磁场梯度值，结果如下表所示。从表中可以看到，第一条扫查路径P0磁场强度数据中裂纹点O1的磁场梯度值为0.13T/mm，第二条扫查路径P1磁场强度数据中裂纹点O1的磁场梯度值为0.25T/mm，第三条扫查路径P2磁场强度数据中裂纹点O1的磁场梯度值为2.94T/mm，第四条扫查路径P3磁场强度数据中裂纹点O1的磁场梯度值为7.7T/mm。
基于力磁效应的裂纹方向判断方法中扫查路径上裂纹部位的磁场梯度值
Figure BDA0002449290280000131
S8、以磁场梯度值最大的第四条扫查路径P3为参考，在裂纹所在平面内绘制垂直于第四扫查路径P3、以裂纹点点O1为中心、长度为5mm的直线S1，直线S1的两端分别与参考点O1的距离为2.5mm，直线S1的方向即为裂纹点O1的方向。
S9、分别以直线S1的两个端点作为参考点O2和O3，重复步骤S2～S9，分别绘制出直线S2和S3，依次联接S1、S2和S3等直线，可以重构出或者近似重构出裂纹的扩展路径。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于力磁效应的裂纹方向判断方法，其特征在于，以裂纹点为参考点，在0度至180度范围内设置m+1条扫查路径，然后依次施加与扫查路径方向一致的拉伸载荷，测定每组扫查路径裂纹点对应的散射磁场强度垂直分量的梯度值，并寻找梯度值最大值，最后以梯度值最大值的扫查路径作为参考，绘制通过裂纹点且垂直于扫查路径的直线，直线方向为裂纹方向，裂纹方向判断方法的具体实施步骤如下：
S1、在待检测设备或者构件的裂纹点发现未知方向的裂纹后，把裂纹点的几何位置作为参考点O1，并在裂纹所在的平面上建立第一条扫查路径P0；
S2、将所述第一条扫查路径P0的起始点置于参考点O1点的第一侧，将所述扫查路径P0的终止点置于O1点的第二侧，所述起始点和所述终止点关于所述O1点对称分布，且分别距离O1点的距离均为L，即所述第一条扫查路径P0的长度为2L；
S3、沿所述第一条扫查路径P0的方向，对待检测设备或构件的裂纹点施加拉伸载荷σ0，所述拉伸载荷σ0加载至步骤S5结束，所述拉伸载荷σ0的方向垂直于裂纹面，且裂纹点处于平面拉伸的应力状态；
S4、控磁敏传感器以恒定的提离值，匀速沿第一条扫查路径P0进行扫描，采集第一条扫查路径P0上各点散射磁场的垂直分量的磁场强度；
S5、对采集的散射磁场的垂直分量的磁场强度的分布进行分析，并计算第一条扫查路径P0上裂纹点的梯度值Grad0；
S6、解除步骤S3施加的拉伸载荷σ0，并将第一条扫查路径P0以O1点为旋转中心，在裂纹所在平面内依次顺时针或者逆时针旋转，旋转角度依次为θ1、θ2、θ3…θm，其中θm>…>θ3>θ2>θ1，直至θm＝180°，形成第二条扫查路径P1、第三条扫查路径P2、…第m条扫查路径Pm-1，接着分别以第二条扫查路径P1、第三条扫查路径P2、…第m条扫查路径Pm-1为基准，重复步骤S2～S5后，获得散射磁场的垂直分量的磁场强度的梯度值集合Grad0～Gradm；
S7、计算裂纹点对应的散射磁场的垂直分量的磁场强度的梯度值集合的最大值Gradn，即Gradn＝Max(梯度值集合Grad0～Gradm),其中0≤n≤m；
S8、将Gradn对应的扫查路径Pn作为基准，并在裂纹所在的平面内，绘制一条垂直于扫查路径Pn且以参考点O1为中心的直线S1，所述直线S1的两端分别与参考点O1的距离为D，所述直线S1的方向即为裂纹点O1的方向；以及
S9、分别以直线S1的两个端点作为裂纹点的参考点O2和O3，重复步骤S1～S8，分别绘制出直线S2和S3，依次联接S1、S2和S3等直线，能重构出裂纹的扩展路径。
2.根据权利要求1所述的基于力磁效应的裂纹方向判断方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括以下步骤：
S61、以裂纹点O1为旋转中心，以第一条扫查路径P0为参考，在裂纹所在平面内顺时针旋转一定的角度，形成第二条扫查路径P1，将第二扫查路径P1的起始点置于O1点的第一侧，将第二扫查路径P1的终止点置于O1点的第二侧，起始点和终止点关于O1点对称分布，且分别距离O1点的距离相等；
S62、根据合金钢材料的弹性极限选取第二拉伸载荷σ1，并沿第二条扫查路径P1的方向对构件施加第二拉伸载荷σ1并保持至步骤64结束，第二拉伸载荷σ1的作用方向通过裂纹点O1并垂直于裂纹面；
S63、控制霍尔元器件沿第二拉伸载荷σ1作用线的方向匀速扫描，并通过裂纹点O1，其中设定霍尔元器件的提离值恒定为1mm，扫描速度为1mm/s，扫描长度为10mm；最后将霍尔元器件采集获取的各点的散射磁场的垂直分量的磁场强度数据存储至采集仪器；
S64、根据在裂纹点部位，散射磁场的垂直分量的磁场强度分布呈现梯度值最大的特征，对采集的散射磁场的垂直分量的磁场强度的分布进行分析，并计算第二条扫查路径P1上各点的梯度值Grad1；
S65、解除步骤S62施加的第二拉伸载荷σ1，以裂纹点O1为旋转中心，以第一条扫查路径P0为参考，在裂纹所在平面内顺时针旋转一定的角度，形成第三条扫查路径P2，将第三条扫查路径P2的起始点置于O1点的第一侧，将第三扫查路径P2的终止点置于O1点的第二侧，起始点和终止点关于O1点对称分布，且分别距离O1点的距离相等；
S66、根据合金钢材料的弹性极限选取第三拉伸载荷σ2，并沿第三条扫查路径P2的方向对构件施加第三拉伸载荷σ2并至步骤S68结束，第三拉伸载荷σ2的作用方向通过裂纹点O1并垂直于裂纹面；
S67、控制霍尔元器件沿第三拉伸载荷σ2作用线的方向匀速扫描，并通过裂纹点O1，其中设定霍尔元器件的提离值恒定为1mm，扫描速度为1mm/s，扫描长度为10mm；最后将霍尔元器件采集获取的各点的散射磁场的垂直分量的磁场强度数据存储至采集仪器；
S68、根据在裂纹点部位，散射磁场的垂直分量的磁场强度分布呈现梯度值最大的特征，对采集的散射磁场的垂直分量的磁场强度的分布进行分析，并计算第三扫查路径P2上各点的梯度值Grad2；
S69、解除步骤S66施加的第三拉伸载荷σ2，以裂纹点O1为旋转中心，以第一条扫查路径P0为参考，在裂纹所在平面内顺时针旋转一定的角度，形成第四条扫查路径P3，将第四扫查路径P3的起始点置于O1点的第一侧，将第四扫查路径P3的终止点置于O1点的第二侧，起始点和终止点关于O1点对称分布，且分别距离O1点的距离相等；
S610、根据合金钢材料的弹性极限选取第四拉伸载荷σ3，并沿第四条扫查路径P3的方向对构件施加第四拉伸载荷σ3并至步骤S612结束，第四拉伸载荷σ3的作用方向通过裂纹点O1并垂直于裂纹面；
S611、控制霍尔元器件沿第四拉伸载荷σ3作用线的方向匀速扫描，并通过裂纹点O1，其中设定霍尔元器件的提离值恒定为1mm，扫描速度为1mm/s，扫描长度为10mm；最后将霍尔元器件采集获取的各点的散射磁场的垂直分量的磁场强度数据存储至采集仪器；以及
S612、根据在裂纹点部位，散射磁场的垂直分量的磁场强度分布较大梯度值的特征，对采集的散射磁场的垂直分量的磁场强度的分布进行分析，并计算第四扫查路径P3上各点的梯度值Grad3。
3.根据权利要求1或者2所述的基于力磁效应的裂纹方向判断方法，其特征在于，第一条扫查路径P0、第二条扫查路径P1、第三条扫查路径P2和第四条扫查路径P3的长度均相等；在同一次拉伸实验中，第一拉伸载荷σ0、第二拉伸载荷σ1、第三拉伸载荷σ2和第四拉伸载荷σ3在弹性极限范围内，取相同的值，不同的拉伸试验，拉伸载荷在弹性极限范围内，可以取不同的值。
4.根据权利要求1所述的基于力磁效应的裂纹方向判断方法，其特征在于，所述的扫查路径的相邻的两组旋转角度的间隔在10°以上。
5.根据权利要求1所述的基于力磁效应的裂纹方向判断方法，其特征在于，所述待检测设备或者构件由铁磁性材料制成，所述铁磁性材料为具有自发性磁化现象的磁性状态材料。
6.根据权利要求1所述的基于力磁效应的裂纹方向判断方法，其特征在于，所述的用于判断裂纹方向的磁场梯度值，是指由裂纹存在形成的特殊磁场信号垂直分量梯度值，特殊磁场的特征在于磁场信号具有过零点并且具有极大的梯度值。
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