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鋼絞線用磁致伸縮傳感器偏置磁場的有限元分析

來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2022-01-21 08:38

  

       7芯鋼絞線已成為目前國內外預應力結構中應用最廣的一種預應力筋. 作為預應力結構中的骨架構件 ,鋼絞線健康狀況的好壞直接影響這些結構的耐久性及其整體安全. 因此 ,對其健康狀況進行檢測就顯得尤其重要. 目前大多數檢測方法如射線法 、漏磁法 或光纖檢測法 ,等均已應用于工程實際 ,但都存在一定的局限性. 而超聲導波檢測作為一種無損檢測技術適用于桿、管、板等波導結構的健康檢測 ,目前已成為無損檢測領域的研究熱點. Kwun等 利用磁致伸縮傳感器激勵超聲導波檢測鋼絲繩中的斷絲 ,取得了較好效果. 在進行磁致伸縮檢測時 ,為了提高傳感器的效能 ,保證電聲轉換時頻率的一致性 ,需要選用一個可以使鋼絞線相對磁導率達到最大值的偏置磁場.目前 ,在利用磁致伸縮型傳感器對圓柱狀波導結構 ,如管道或桿等進行導波檢測時 ,常采用兩磁路偏置磁場. 然而對由多股鋼絲繞制而成的鋼絞線進行檢測時 ,偏置磁場在周向分布均勻與否顯得十分重要. 因為磁疇偏置一致性的程度直接影響磁致伸縮的效果 ,如果磁場分布不均勻 ,在磁路內加載動磁場后 ,磁疇會沿不同偏置磁場強度造成的不同的 “中心位置 ”擺動. 這樣就會產生除我們所需的縱向模態以外的模態 ,如彎曲模態.
      為分析偏置磁場對超聲導波模態激勵及接收的影響 ,本文利用有限元分析方法對鋼絞線用磁致伸縮傳感器偏置磁場強度及其磁路構建方式進行了仿真和優化.
1、鋼絞線中的磁致伸縮效應
      當外加磁場強度比試樣本身的飽和磁化場強度小時 ,試樣的形變主要是長度的改變 ,而體積幾乎不變 ,這種現象被稱為線磁致伸縮 ;當外加磁場大于試樣本身的飽和磁化場時 ,試樣的形變主要是體積的改變 ,這種現象被稱為體積磁致伸縮. 而磁致伸縮法檢測鋼絞線則是令鋼絞線產生軸向長度改變的線磁致伸縮. 當偏置磁場 ,即靜磁場 H0 沿軸向施加于鋼絞線后 ,致使鋼絞線內的磁疇發生了一定偏轉. 此時對密繞在鋼絞線外的導線加載一定強度的交流電 I后 ,則會在線圈內的鋼絞線中產生一個沿軸向的交變磁場 ,即動磁場 Pw. 磁疇在交變磁場的影響下 ,會以偏置磁場作用后的位置為中心 ,產生來回的偏轉 ,由此在鋼絞線內部產生交變的振動. 而振動產生的聲波則會在鋼絞線的邊界上發生不斷反射和模態轉換 ,形成了沿著鋼絞線軸向制導傳播的超聲導波 .
2、磁路設計
       本文的勵磁源為常見的稀土材料釹鐵硼制成的長 20mm、寬 10mm和高 10mm的長方體永磁鐵. 沿高度方向充磁 ,充磁等級為 N35. 在建模過程中 ,分別設計了雙磁路及三磁路結構 ,每種磁路均在鋼絞線徑向橫截面的周向呈對稱分布.
       由于空氣的磁導率μ0 = 4π ×10- 7 ,而模型中材料為 20號鋼的夾片、鞍片和軛鐵最大磁導率為 1000左右 ,所以空氣的磁阻遠大于 20號鋼的磁阻. 由此可見 ,在設計磁路時要盡量控制磁路元件的外形尺寸和減少空氣間隙. 對于鋼絞線螺旋形的外表面 ,必須考慮空氣間隙對磁場強度和均勻程度的影響.
磁致伸縮位移傳感器
3、三維靜磁場有限元分析
       Maxwell是美國 Ansoft公司開發的一款用于求解電磁場問題的有限元分析軟件. 與其它有限元分析軟件不同的是 ,該軟件利用其專利技術 —自適應分析法作為基本的網格剖分方法 ,使求解問題的速度和效率得到提高. 自適應法求解的過程是對模型的前處理完成以后 ,進行初始化剖分 ,對整個問題域進行求解 ,計算出整個求解域的求解參數和每個網格的能量誤差值 ,這就完成了一次求解 。
       然后 ,系統按照預先設定的網格添加比例 ,在能量誤差最大處添加網格 ,對網格進行一次性添加和優化 ,再進行下一次的計算 ,直到求解域中最大的能量誤差值或求解的次數滿足預定的目標值為止.
       每一次的計算結果都可以在軟件的控制面板中以圖形或數據的方式顯示 ,所有的計算過程可以自動進行 ,一般情況下可節約網格數量 ,提高計算效率. 
      利用 Maxwell3D軟件建立磁路三維有限元模型的過程為 : ( 1)確定各組件的尺寸 ;(2)確定各組件的材料屬性. 除永磁體外 ,其余組件的材質如 20號鋼和鋼絞線的材質則要在軟件材料庫中按照各自的磁特性曲線進行定義 ; (3)確定有限元計算的邊界條件 (一般采用軟件默認值 ) ; (4)選擇求解的區域和條件 ; (5)有限元計算 ; (6)數據的后處理.
3. 1 鋼絞線模型
       外圍鋼絲及中心鋼絲的半徑分別為 3100mm及 3115mm. 外圍鋼絲的節距為 280mm,鋼絞線長度為 99mm. 為盡量保證模型輪廓的光滑性 ,特將鋼絲外輪廓的“segments”值設置為 36.
       在定義材料屬性時 ,由于鋼絞線的化學組分符合國標 YB /T 146—1998中的規定 ,屬于弱磁性材料 ,且其磁特性曲線很難由儀器準確測得 ,故在定義其材料磁特性時 ,選擇已知的與鋼絞線組分較為接近的 70Si3MnA的磁特性曲線對其進行材料屬性定義.
       對于不同組分的金屬 ,隨著含碳量和鋼中合金元素的增加 ,磁性將“硬化 ”,體現在磁特性曲線上則主要是最大磁導率 μm 下降;最大磁導率所對應的磁場強度 Hpm值增大 ;最大磁感應強度下降等特點. 與此同時 ,不同的熱處理工藝對材料的磁特性影響也很大. 在同一材料中 ,退火材料與正火材料的磁性有所差別 ,而淬火或淬火后再進行回火的材料的磁性也大有差異. 所以采用接近的材料屬性對鋼絞線進行定義后 ,在后處理部分 ,只能對鋼絞線內磁場的變化進行定性分析.
3.2夾片模型
       由于外圍鋼絲的螺旋形特征 ,造成了磁鐵與鋼絞線外輪廓接觸時的空氣間隙 ,為了減少間隙設計了專門的夾片. 模型中的夾片內輪廓特征可以完全與鋼絞線的螺旋形外輪廓重合. 但在實際中 ,由于加工復雜且成本較高 ,筆者將夾片加工成1mm厚的薄片 . 使用時 ,將 10片疊在一起套裝在鋼絞線的外圍. 通過這種方法來實現模型中的夾片效果.
3. 3 鞍片模型
       為連接磁鐵與夾片 ,模型中設計了具有拱形結構的鞍片. 為減少鞍片的磁阻 ,應盡量控制拱頂與上表面距離 ,而跨度則與磁鐵的長度保持一致.
3. 4 磁鐵模型
       磁鐵模型尺寸按照實際尺寸進行設計 ,沿高度方向充磁 ,且強度為 N35. 由軟件仿真計算得到磁鐵充磁面上中點的磁場強度約014583T,與廠家提供的 0145T較為吻合.
3. 5 軛鐵模型
       模型中軛鐵為長方體鐵條 ,它是保證磁路導通的重要元件 ,其厚度與磁鐵的寬度保持一致 ,而寬度與磁鐵的長度相同. 由于磁致伸縮效應需要偏置磁場與交變磁場配合作用 ,所以軛鐵未接觸磁鐵部分的長度應與交變磁場的提供者 —螺線管的長度相同.
3. 6 網格劃分
       Maxwell3D軟件中的網格劃分單元為四面體單元. 模型計算時 ,系統對鋼絞線中的網格進行了非常細密地劃分. 以中心鋼絲為例 ,它的網格總數為 27947個 ,網格中最高的高度為 714mm. 而夾片中的網格只有6999個,網格中最高的高度為10.0mm.如此劃分網格不僅可以提高主要研究對象的計算精度 ,更可以合理地節省計算時間.
3. 7 磁路內磁場分析
       按照設計的磁路 ,可繪制出模型中磁力線的走向 ,如圖 8所示. 將雙磁路和三磁路的上截面、中截面以及下截面上的磁場分布進行對比.其中 A2G代表 7根鋼絲 ,同時選取各截面上每根鋼絲圓心的磁感應強度 B 值作為參考點. 以中心鋼絲圓心的磁感應強度為基準 ,其余 6根鋼絲圓心的磁感應強度分別與之相減并取絕對值 ,得到各鋼絲圓心的磁感應強度差值. 給出了 3個截面上 ,不同鋼絲圓點的磁感應強度以及差值.
       可以看出 ,三磁路不僅可以產生比雙磁路更大的磁感應強度 ,更可以產生分布更加均勻的磁場. 由于仿真采用的所有器件均為實際尺寸 ,且永磁鐵尺寸是市場上生產的標準尺寸中外形最小的磁鐵 ;另一方面 ,筆者已采用三磁路形式為鋼絞線的檢測提供偏置磁場 ,效果良好 ,故未進行更多磁路的仿真計算. 并且由于加工工藝的原因 ,實際上無法得到完全均勻的偏置磁場.
        如上文所述 ,為獲得模態較為單一的信號 ,需使磁疇在偏置磁場的作用下 ,產生較為一致的偏轉. 而在磁場方向一定的情況下 ,磁場強度分布的均勻性直接影響著磁疇偏轉的一致性. 所以 ,檢驗每根鋼絲上的磁感應強度大小就顯得尤為重要. 三磁路情況下 ,磁路內鋼絞線各鋼絲表面的磁感應分布. 鋼絲表面磁感應強度主要集中在 1170T—1180T,而這樣的磁場分布并未對實際檢測產生影響 ,故可忽略.
4 結論
       根據磁路公式 ,設計了專用于 7芯鋼絞線的磁路元件 ,建立了雙磁路和三磁路兩種方案的模型 ,并對兩種磁路進行仿真計算 ,比較了兩種情況下 ,磁路中每根鋼絲表面及上、中、下截面的磁感應強度及分布. 證明了三磁路比雙磁路可以產生強度更大 ,均勻性更好的磁場. 因此 ,采用三磁路為鋼絞線提供偏置磁場時 ,更易激勵出軸對稱縱向模態導波 ,如L (0, 1)模態 ,用于鋼絞線的健康檢測.
      通過本文的有限元分析 ,為利用磁致伸縮法檢測鋼絞線提供了一定的參考 ,但由于鋼絞線的磁特性曲線并非實際測得值 ,故只能通過此法對磁致伸縮法檢測鋼絞線需要的偏置磁場進行定性的分析研究.


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