7芯鋼絞線已成為目前國(guó)內(nèi)外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的一種預(yù)應(yīng)力筋. 作為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中的骨架構(gòu)件 ,鋼絞線健康狀況的好壞直接影響這些結(jié)構(gòu)的耐久性及其整體安全. 因此 ,對(duì)其健康狀況進(jìn)行檢測(cè)就顯得尤其重要. 目前大多數(shù)檢測(cè)方法如射線法 、漏磁法 或光纖檢測(cè)法 ,等均已應(yīng)用于工程實(shí)際 ,但都存在一定的局限性. 而超聲導(dǎo)波檢測(cè)作為一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)適用于桿、管、板等波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè) ,目前已成為無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn). kwun等 利用磁致伸縮傳感器激勵(lì)超聲導(dǎo)波檢測(cè)鋼絲繩中的斷絲 ,取得了較好效果. 在進(jìn)行磁致伸縮檢測(cè)時(shí) ,為了提高傳感器的效能 ,保證電聲轉(zhuǎn)換時(shí)頻率的一致性 ,需要選用一個(gè)可以使鋼絞線相對(duì)磁導(dǎo)率達(dá)到值的偏置磁場(chǎng).目前 ,在利用磁致伸縮型傳感器對(duì)圓柱狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu) ,如管道或桿等進(jìn)行導(dǎo)波檢測(cè)時(shí) ,常采用兩磁路偏置磁場(chǎng). 然而對(duì)由多股鋼絲繞制而成的鋼絞線進(jìn)行檢測(cè)時(shí) ,偏置磁場(chǎng)在周向分布均勻與否顯得十分重要. 因?yàn)榇女犉靡恢滦缘某潭戎苯佑绊懘胖律炜s的效果 ,如果磁場(chǎng)分布不均勻 ,在磁路內(nèi)加載動(dòng)磁場(chǎng)后 ,磁疇會(huì)沿不同偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度造成的不同的 “中心位置 ”擺動(dòng). 這樣就會(huì)產(chǎn)生除我們所需的縱向模態(tài)以外的模態(tài) ,如彎曲模態(tài).
為分析偏置磁場(chǎng)對(duì)超聲導(dǎo)波模態(tài)激勵(lì)及接收的影響 ,本文利用有限元分析方法對(duì)鋼絞線用磁致伸縮傳感器偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度及其磁路構(gòu)建方式進(jìn)行了仿真和優(yōu)化.
1、鋼絞線中的磁致伸縮效應(yīng)
當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度比試樣本身的飽和磁化場(chǎng)強(qiáng)度小時(shí) ,試樣的形變主要是長(zhǎng)度的改變 ,而體積幾乎不變 ,這種現(xiàn)象被稱為線磁致伸縮 ;當(dāng)外加磁場(chǎng)大于試樣本身的飽和磁化場(chǎng)時(shí) ,試樣的形變主要是體積的改變 ,這種現(xiàn)象被稱為體積磁致伸縮. 而磁致伸縮法檢測(cè)鋼絞線則是令鋼絞線產(chǎn)生軸向長(zhǎng)度改變的線磁致伸縮. 當(dāng)偏置磁場(chǎng) ,即靜磁場(chǎng) h0 沿軸向施加于鋼絞線后 ,致使鋼絞線內(nèi)的磁疇發(fā)生了一定偏轉(zhuǎn). 此時(shí)對(duì)密繞在鋼絞線外的導(dǎo)線加載一定強(qiáng)度的交流電 i后 ,則會(huì)在線圈內(nèi)的鋼絞線中產(chǎn)生一個(gè)沿軸向的交變磁場(chǎng) ,即動(dòng)磁場(chǎng) pw. 磁疇在交變磁場(chǎng)的影響下 ,會(huì)以偏置磁場(chǎng)作用后的位置為中心 ,產(chǎn)生來回的偏轉(zhuǎn) ,由此在鋼絞線內(nèi)部產(chǎn)生交變的振動(dòng). 而振動(dòng)產(chǎn)生的聲波則會(huì)在鋼絞線的邊界上發(fā)生不斷反射和模態(tài)轉(zhuǎn)換 ,形成了沿著鋼絞線軸向制導(dǎo)傳播的超聲導(dǎo)波 .
2、磁路設(shè)計(jì)
本文的勵(lì)磁源為常見的稀土材料釹鐵硼制成的長(zhǎng) 20mm、寬 10mm和高 10mm的長(zhǎng)方體永磁鐵. 沿高度方向充磁 ,充磁等級(jí)為 n35. 在建模過程中 ,分別設(shè)計(jì)了雙磁路及三磁路結(jié)構(gòu) ,每種磁路均在鋼絞線徑向橫截面的周向呈對(duì)稱分布.
由于空氣的磁導(dǎo)率μ0 = 4π ×10- 7 ,而模型中材料為 20號(hào)鋼的夾片、鞍片和軛鐵磁導(dǎo)率為 1000左右 ,所以空氣的磁阻遠(yuǎn)大于 20號(hào)鋼的磁阻. 由此可見 ,在設(shè)計(jì)磁路時(shí)要盡量控制磁路元件的外形尺寸和減少空氣間隙. 對(duì)于鋼絞線螺旋形的外表面 ,必須考慮空氣間隙對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度和均勻程度的影響.
3、三維靜磁場(chǎng)有限元分析
maxwell是美國(guó) ansoft公司開發(fā)的一款用于求解電磁場(chǎng)問題的有限元分析軟件. 與其它有限元分析軟件不同的是 ,該軟件利用其技術(shù) —自適應(yīng)分析法作為基本的網(wǎng)格剖分方法 ,使求解問題的速度和效率得到提高. 自適應(yīng)法求解的過程是對(duì)模型的前處理完成以后 ,進(jìn)行初始化剖分 ,對(duì)整個(gè)問題域進(jìn)行求解 ,計(jì)算出整個(gè)求解域的求解參數(shù)和每個(gè)網(wǎng)格的能量誤差值 ,這就完成了一次求解 。
然后 ,系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定的網(wǎng)格添加比例 ,在能量誤差處添加網(wǎng)格 ,對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行一次性添加和優(yōu)化 ,再進(jìn)行下一次的計(jì)算 ,直到求解域中的能量誤差值或求解的次數(shù)滿足預(yù)定的目標(biāo)值為止.
每一次的計(jì)算結(jié)果都可以在軟件的控制面板中以圖形或數(shù)據(jù)的方式顯示 ,所有的計(jì)算過程可以自動(dòng)進(jìn)行 ,一般情況下可節(jié)約網(wǎng)格數(shù)量 ,提高計(jì)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(zhì)如 20號(hào)鋼和鋼絞線的材質(zhì)則要在軟件材料庫(kù)中按照各自的磁特性曲線進(jìn)行定義 ; (3)確定有限元計(jì)算的邊界條件 (一般采用軟件默認(rèn)值 ) ; (4)選擇求解的區(qū)域和條件 ; (5)有限元計(jì)算 ; (6)數(shù)據(jù)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(jié)距為 280mm,鋼絞線長(zhǎng)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(shè)置為 36.
在定義材料屬性時(shí) ,由于鋼絞線的化學(xué)組分符合國(guó)標(biāo) yb /t 146—1998中的規(guī)定 ,屬于弱磁性材料 ,且其磁特性曲線很難由儀器準(zhǔn)確測(cè)得 ,故在定義其材料磁特性時(shí) ,選擇已知的與鋼絞線組分較為接近的 70si3mna的磁特性曲線對(duì)其進(jìn)行材料屬性定義.
對(duì)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(xiàn)在磁特性曲線上則主要是磁導(dǎo)率 μm 下降;磁導(dǎo)率所對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度 hpm值增大 ;磁感應(yīng)強(qiáng)度下降等特點(diǎn). 與此同時(shí) ,不同的熱處理工藝對(duì)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(jìn)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(duì)鋼絞線進(jìn)行定義后 ,在后處理部分 ,只能對(duì)鋼絞線內(nèi)磁場(chǎng)的變化進(jìn)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(shí)的空氣間隙 ,為了減少間隙設(shè)計(jì)了專門的夾片. 模型中的夾片內(nèi)輪廓特征可以與鋼絞線的螺旋形外輪廓重合. 但在實(shí)際中 ,由于加工復(fù)雜且成本較高 ,筆者將夾片加工成1mm厚的薄片 . 使用時(shí) ,將 10片疊在一起套裝在鋼絞線的外圍. 通過這種方法來實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)了具有拱形結(jié)構(gòu)的鞍片. 為減少鞍片的磁阻 ,應(yīng)盡量控制拱頂與上表面距離 ,而跨度則與磁鐵的長(zhǎng)度保持一致.
3. 4 磁鐵模型
磁鐵模型尺寸按照實(shí)際尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì) ,沿高度方向充磁 ,且強(qiáng)度為 n35. 由軟件仿真計(jì)算得到磁鐵充磁面上中點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)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(zhǎng)方體鐵條 ,它是保證磁路導(dǎo)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(zhǎng)度相同. 由于磁致伸縮效應(yīng)需要偏置磁場(chǎng)與交變磁場(chǎng)配合作用 ,所以軛鐵未接觸磁鐵部分的長(zhǎng)度應(yīng)與交變磁場(chǎng)的提供者 —螺線管的長(zhǎng)度相同.
3. 6 網(wǎng)格劃分
maxwell3d軟件中的網(wǎng)格劃分單元為四面體單元. 模型計(jì)算時(shí) ,系統(tǒng)對(duì)鋼絞線中的網(wǎng)格進(jìn)行了非常細(xì)密地劃分. 以中心鋼絲為例 ,它的網(wǎng)格總數(shù)為 27947個(gè) ,網(wǎng)格中的高度為 714mm. 而夾片中的網(wǎng)格只有6999個(gè),網(wǎng)格中的高度為10.0mm.如此劃分網(wǎng)格不僅可以提高主要研究對(duì)象的計(jì)算精度 ,更可以合理地節(jié)省計(jì)算時(shí)間.
3. 7 磁路內(nèi)磁場(chǎng)分析
按照設(shè)計(jì)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(chǎng)分布進(jìn)行對(duì)比.其中 a2g代表 7根鋼絲 ,同時(shí)選取各截面上每根鋼絲圓心的磁感應(yīng)強(qiáng)度 b 值作為參考點(diǎn). 以中心鋼絲圓心的磁感應(yīng)強(qiáng)度為基準(zhǔn) ,其余 6根鋼絲圓心的磁感應(yīng)強(qiáng)度分別與之相減并取值 ,得到各鋼絲圓心的磁感應(yīng)強(qiáng)度差值. 給出了 3個(gè)截面上 ,不同鋼絲圓點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度以及差值.
可以看出 ,三磁路不僅可以產(chǎn)生比雙磁路更大的磁感應(yīng)強(qiáng)度 ,更可以產(chǎn)生分布更加均勻的磁場(chǎng). 由于仿真采用的所有器件均為實(shí)際尺寸 ,且永磁鐵尺寸是市場(chǎng)上生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)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(cè)提供偏置磁場(chǎng) ,效果良好 ,故未進(jìn)行更多磁路的仿真計(jì)算. 并且由于加工工藝的原因 ,實(shí)際上無(wú)法得到均勻的偏置磁場(chǎng).
如上文所述 ,為獲得模態(tài)較為單一的信號(hào) ,需使磁疇在偏置磁場(chǎng)的作用下 ,產(chǎn)生較為一致的偏轉(zhuǎn). 而在磁場(chǎng)方向一定的情況下 ,磁場(chǎng)強(qiáng)度分布的均勻性直接影響著磁疇偏轉(zhuǎn)的一致性. 所以 ,檢驗(yàn)每根鋼絲上的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小就顯得尤為重要. 三磁路情況下 ,磁路內(nèi)鋼絞線各鋼絲表面的磁感應(yīng)分布. 鋼絲表面磁感應(yīng)強(qiáng)度主要集中在 1170t—1180t,而這樣的磁場(chǎng)分布并未對(duì)實(shí)際檢測(cè)產(chǎn)生影響 ,故可忽略.
4 結(jié)論
根據(jù)磁路公式 ,設(shè)計(jì)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(duì)兩種磁路進(jìn)行仿真計(jì)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(yīng)強(qiáng)度及分布. 證明了三磁路比雙磁路可以產(chǎn)生強(qiáng)度更大 ,均勻性更好的磁場(chǎng). 因此 ,采用三磁路為鋼絞線提供偏置磁場(chǎng)時(shí) ,更易激勵(lì)出軸對(duì)稱縱向模態(tài)導(dǎo)波 ,如l (0, 1)模態(tài) ,用于鋼絞線的健康檢測(cè).
通過本文的有限元分析 ,為利用磁致伸縮法檢測(cè)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(shí)際測(cè)得值 ,故只能通過此法對(duì)磁致伸縮法檢測(cè)鋼絞線需要的偏置磁場(chǎng)進(jìn)行定性的分析研究.
關(guān)鍵詞：傳感器 鋼絲繩