钢绞线用磁致伸缩传感器偏置磁场的有限元分析

 钢绞线用磁致伸缩传感器偏置磁场的有限元分析
作者：刘增华；张易农；吴斌；刘溯；何存富





     7芯钢绞线已成为目前国内外预应力结构中应用最广的一种预应力筋. 作为预应力结构中的骨架构件 ,钢绞线健康状况的好坏直接影响这些结构的耐久性及其整体安全. 因此 ,对其健康状况进行检测就显得尤其重要. 目前大多数检测方法如射线法 、漏磁法 或光纤检测法 ,等均已应用于工程实际 ,但都存在一定的局限性. 而超声导波检测作为一种无损检测技术适用于杆、管、板等波导结构的健康检测 ,目前已成为无损检测领域的研究热点. Kwun等 利用磁致伸缩传感器激励超声导波检测钢丝绳中的断丝 ,取得了较好效果. 在进行磁致伸缩检测时 ,为了提高传感器的效能 ,保证电声转换时频率的一致性 ,需要选用一个可以使钢绞线相对磁导率达到最大值的偏置磁场.目前 ,在利用磁致伸缩型传感器对圆柱状波导结构 ,如管道或杆等进行导波检测时 ,常采用两磁路偏置磁场. 然而对由多股钢丝绕制而成的钢绞线进行检测时 ,偏置磁场在周向分布均匀与否显得十分重要. 因为磁畴偏置一致性的程度直接影响磁致伸缩的效果 ,如果磁场分布不均匀 ,在磁路内加载动磁场后 ,磁畴会沿不同偏置磁场强度造成的不同的 “中心位置 ”摆动. 这样就会产生除我们所需的纵向模态以外的模态 ,如弯曲模态.

      为分析偏置磁场对超声导波模态激励及接收的影响 ,本文利用有限元分析方法对钢绞线用磁致伸缩传感器偏置磁场强度及其磁路构建方式进行了仿真和优化.

1、钢绞线中的磁致伸缩效应

      当外加磁场强度比试样本身的饱和磁化场强度小时 ,试样的形变主要是长度的改变 ,而体积几乎不变 ,这种现象被称为线磁致伸缩 ;当外加磁场大于试样本身的饱和磁化场时 ,试样的形变主要是体积的改变 ,这种现象被称为体积磁致伸缩. 而磁致伸缩法检测钢绞线则是令钢绞线产生轴向长度改变的线磁致伸缩. 当偏置磁场 ,即静磁场 H0 沿轴向施加于钢绞线后 ,致使钢绞线内的磁畴发生了一定偏转. 此时对密绕在钢绞线外的导线加载一定强度的交流电 I后 ,则会在线圈内的钢绞线中产生一个沿轴向的交变磁场 ,即动磁场 Pw. 磁畴在交变磁场的影响下 ,会以偏置磁场作用后的位置为中心 ,产生来回的偏转 ,由此在钢绞线内部产生交变的振动. 而振动产生的声波则会在钢绞线的边界上发生不断反射和模态转换 ,形成了沿着钢绞线轴向制导传播的超声导波 .

2、磁路设计

       本文的励磁源为常见的稀土材料钕铁硼制成的长 20mm、宽 10mm和高 10mm的长方体永磁铁. 沿高度方向充磁 ,充磁等级为 N35. 在建模过程中 ,分别设计了双磁路及三磁路结构 ,每种磁路均在钢绞线径向横截面的周向呈对称分布.

       由于空气的磁导率μ0 = 4π ×10- 7 ,而模型中材料为 20号钢的夹片、鞍片和轭铁最大磁导率为 1000左右 ,所以空气的磁阻远大于 20号钢的磁阻. 由此可见 ,在设计磁路时要尽量控制磁路元件的外形尺寸和减少空气间隙. 对于钢绞线螺旋形的外表面 ,必须考虑空气间隙对磁场强度和均匀程度的影响.

3、三维静磁场有限元分析

       Maxwell是美国 Ansoft公司开发的一款用于求解电磁场问题的有限元分析软件. 与其它有限元分析软件不同的是 ,该软件利用其专利技术 —自适应分析法作为基本的网格剖分方法 ,使求解问题的速度和效率得到提高. 自适应法求解的过程是对模型的前处理完成以后 ,进行初始化剖分 ,对整个问题域进行求解 ,计算出整个求解域的求解参数和每个网格的能量误差值 ,这就完成了一次求解 。

       然后 ,系统按照预先设定的网格添加比例 ,在能量误差最大处添加网格 ,对网格进行一次性添加和优化 ,再进行下一次的计算 ,直到求解域中最大的能量误差值或求解的次数满足预定的目标值为止.

       每一次的计算结果都可以在软件的控制面板中以图形或数据的方式显示 ,所有的计算过程可以自动进行 ,一般情况下可节约网格数量 ,提高计算效率. 

      利用 Maxwell3D软件建立磁路三维有限元模型的过程为 : ( 1)确定各组件的尺寸 ;(2)确定各组件的材料属性. 除永磁体外 ,其余组件的材质如 20号钢和钢绞线的材质则要在软件材料库中按照各自的磁特性曲线进行定义 ; (3)确定有限元计算的边界条件 (一般采用软件默认值 ) ; (4)选择求解的区域和条件 ; (5)有限元计算 ; (6)数据的后处理.

3. 1　钢绞线模型

       外围钢丝及中心钢丝的半径分别为 3100mm及 3115mm. 外围钢丝的节距为 280mm,钢绞线长度为 99mm. 为尽量保证模型轮廓的光滑性 ,特将钢丝外轮廓的“segments”值设置为 36.

       在定义材料属性时 ,由于钢绞线的化学组分符合国标 YB /T 146—1998中的规定 ,属于弱磁性材料 ,且其磁特性曲线很难由仪器准确测得 ,故在定义其材料磁特性时 ,选择已知的与钢绞线组分较为接近的 70Si3MnA的磁特性曲线对其进行材料属性定义.

       对于不同组分的金属 ,随着含碳量和钢中合金元素的增加 ,磁性将“硬化 ”,体现在磁特性曲线上则主要是最大磁导率 μm 下降;最大磁导率所对应的磁场强度 Hpm值增大 ;最大磁感应强度下降等特点. 与此同时 ,不同的热处理工艺对材料的磁特性影响也很大. 在同一材料中 ,退火材料与正火材料的磁性有所差别 ,而淬火或淬火后再进行回火的材料的磁性也大有差异. 所以采用接近的材料属性对钢绞线进行定义后 ,在后处理部分 ,只能对钢绞线内磁场的变化进行定性分析.

3.2夹片模型

       由于外围钢丝的螺旋形特征 ,造成了磁铁与钢绞线外轮廓接触时的空气间隙 ,为了减少间隙设计了专门的夹片. 模型中的夹片内轮廓特征可以完全与钢绞线的螺旋形外轮廓重合. 但在实际中 ,由于加工复杂且成本较高 ,笔者将夹片加工成1mm厚的薄片 . 使用时 ,将 10片叠在一起套装在钢绞线的外围. 通过这种方法来实现模型中的夹片效果.

3. 3　鞍片模型

       为连接磁铁与夹片 ,模型中设计了具有拱形结构的鞍片. 为减少鞍片的磁阻 ,应尽量控制拱顶与上表面距离 ,而跨度则与磁铁的长度保持一致.

3. 4　磁铁模型

       磁铁模型尺寸按照实际尺寸进行设计 ,沿高度方向充磁 ,且强度为 N35. 由软件仿真计算得到磁铁充磁面上中点的磁场强度约014583T,与厂家提供的 0145T较为吻合.

3. 5　轭铁模型

       模型中轭铁为长方体铁条 ,它是保证磁路导通的重要元件 ,其厚度与磁铁的宽度保持一致 ,而宽度与磁铁的长度相同. 由于磁致伸缩效应需要偏置磁场与交变磁场配合作用 ,所以轭铁未接触磁铁部分的长度应与交变磁场的提供者 —螺线管的长度相同.

3. 6　网格划分

       Maxwell3D软件中的网格划分单元为四面体单元. 模型计算时 ,系统对钢绞线中的网格进行了非常细密地划分. 以中心钢丝为例 ,它的网格总数为 27947个 ,网格中最高的高度为 714mm. 而夹片中的网格只有6999个,网格中最高的高度为10.0mm.如此划分网格不仅可以提高主要研究对象的计算精度 ,更可以合理地节省计算时间.

3. 7　磁路内磁场分析

       按照设计的磁路 ,可绘制出模型中磁力线的走向 ,如图 8所示. 将双磁路和三磁路的上截面、中截面以及下截面上的磁场分布进行对比.其中 A2G代表 7根钢丝 ,同时选取各截面上每根钢丝圆心的磁感应强度 B 值作为参考点. 以中心钢丝圆心的磁感应强度为基准 ,其余 6根钢丝圆心的磁感应强度分别与之相减并取绝对值 ,得到各钢丝圆心的磁感应强度差值. 给出了 3个截面上 ,不同钢丝圆点的磁感应强度以及差值.

       可以看出 ,三磁路不仅可以产生比双磁路更大的磁感应强度 ,更可以产生分布更加均匀的磁场. 由于仿真采用的所有器件均为实际尺寸 ,且永磁铁尺寸是市场上生产的标准尺寸中外形最小的磁铁 ;另一方面 ,笔者已采用三磁路形式为钢绞线的检测提供偏置磁场 ,效果良好 ,故未进行更多磁路的仿真计算. 并且由于加工工艺的原因 ,实际上无法得到完全均匀的偏置磁场.

        如上文所述 ,为获得模态较为单一的信号 ,需使磁畴在偏置磁场的作用下 ,产生较为一致的偏转. 而在磁场方向一定的情况下 ,磁场强度分布的均匀性直接影响着磁畴偏转的一致性. 所以 ,检验每根钢丝上的磁感应强度大小就显得尤为重要. 三磁路情况下 ,磁路内钢绞线各钢丝表面的磁感应分布. 钢丝表面磁感应强度主要集中在 1170T—1180T,而这样的磁场分布并未对实际检测产生影响 ,故可忽略.

4　结论

       根据磁路公式 ,设计了专用于 7芯钢绞线的磁路元件 ,建立了双磁路和三磁路两种方案的模型 ,并对两种磁路进行仿真计算 ,比较了两种情况下 ,磁路中每根钢丝表面及上、中、下截面的磁感应强度及分布. 证明了三磁路比双磁路可以产生强度更大 ,均匀性更好的磁场. 因此 ,采用三磁路为钢绞线提供偏置磁场时 ,更易激励出轴对称纵向模态导波 ,如L (0, 1)模态 ,用于钢绞线的健康检测.

      通过本文的有限元分析 ,为利用磁致伸缩法检测钢绞线提供了一定的参考 ,但由于钢绞线的磁特性曲线并非实际测得值 ,故只能通过此法对磁致伸缩法检测钢绞线需要的偏置磁场进行定性的分析研究.






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