博士论文简介

 铁磁材料应力和缺陷的金属磁记忆微磁检测定量化研究

 

时朋朋

指导老师 郑晓静

 

铁磁材料由于其具有良好的力学以及机械性能,被广泛应用于航空航天、铁路、管道、压力容器以及石油化工等行业,其在制备和使用过程中形成的损伤直接影响工程结构的使用安全,甚至引发灾难性事故,严重威胁着人民的生命财产安全,而且对社会的经济也造成了重大的损失。如果能及时发现工程结构中损伤的位置及程度,采取诸如打磨、焊接、替换等补救措施,避免由于疲劳损伤发展而引起的恶性事故,对涉及国民经济的众多领域均有着十分重要的理论和现实意义。

微磁检测,又称磁记忆检测技术,是学者Doubov提出的新型无损检测方法,被誉为是21世纪的新型无损检测技术,被认为是唯一实现铁磁材料早期损伤的检测方法。磁记忆检测方法涉及了在地磁场和应力共同作用下的铁磁材料力磁耦合行为,应力和缺陷诱发的磁记忆信号基本特征等典型的力学课题。通过这些基本问题的研究,有助于澄清铁磁材料的应力磁化行为以实现缺陷的定量评价。这些问题的研究不仅有助于人类对铁磁材料损伤现象与规律的了解,有助于损伤检测的科学决策和具体实施,而且对力学学科的拓展,对科学前沿共性问题的解决都是极其重要的。《我国无损检测2025年科技发展战略》指出,近十年无损检测领域重要任务之一是检测方法的机理与理论研究。已80余岁高龄的无损检测专家仲维畅先生曾指出:虽然中国在磁记忆检测这方面取得了众多成果,遗憾的是我国并未能成为金属磁记忆方法的大国,更不用说强国了。虽然我国科研人员在磁记忆检测的基础理论研究方面已经取得具有国际领先水平的成果,但是依然需要做更深入的研究以提高其应用能力。

时朋朋攻读博士学位期间,在国家自然科学基金项目的资助和博士生导师郑晓静教授的指导下,主动结合国家需求,针对现代装备结构安全检测与评价的磁记忆检测方法的机理与理论开展系统研究,发挥力学、铁磁学、无损检测等学科交叉优势,在机械学科无损检测领域取得如下的部分进展:

1、建立从源于微观现象的磁化机理建模、到面向宏观的磁记忆信号定量化分析、最终到面向检测的残余应力/缺陷定量化评价的自下而上系统完整的磁记忆检测理论;

2、磁记忆检测机理建模方面,提出微弱磁场下铁磁材料的应力磁化本构关系,结合CraikWood得到的应力磁化经典实验结果,证实提出的本构关系优于IEEE Transactions on Magnetics主编、国际著名学者David C. Jiles提出的模型,解决了压缩情形下原有理论结果和实验数据存在正负符号相反的问题,提出的本构关系实现微弱磁场下铁磁材料应力磁化行为的准确描述。

3、磁记忆信号定量化分析方面,建立包含力学、磁学、应力磁化本构的磁记忆信号理论求解框架,利用有限元方法实现磁记忆信号的定量化分析。通过与前人理论结果以及实验数据进行对比,证实新建立的磁记忆检测非线性模型的有效性。相比已有结果,提出的理论模型能描述实验揭示各类磁记忆信号的基本特征和变化规律,预测结果与实验数据定量上更加吻合,并且对多种铁磁材料均适用。

4、残余应力/缺陷定量化评价方面,通过分析涡流或漏磁检测研究中提出的梯度迭代算法,发现其不能保证搜索方向之间满足共轭特性,而且缺陷形貌估计式中的迭代参数取值导致迭代算法收敛较慢等问题。基于共轭梯度反演建立了应力和缺陷的重构识别方法,给出磁记忆检测反演问题的详细描述,确定反演问题需要优化的目标函数,建立反演问题的迭代求解算法。结合前人磁记忆检测的实验信号进行重构实验,证实利用微磁信号可以实现对半径6mm圆孔缺陷的尺寸进行有效反演。特别地,首次理论证实利用微磁信号对应力集中等早期损伤进行定量化判定的可行性。

5针对磁偶极子方法中忽略了体磁荷的贡献、没有考虑应力集中区厚度等影响、只能描述弱磁信号二维分量等不足,考虑体磁荷对磁记忆信号的贡献,建立可描述磁记忆信号三维分量的磁荷模型,理论预测结果与实验揭示的磁异常现象基本一致。基于磁偶极子方法考虑缺陷复杂形状的磁记忆信号,纠正了无损检测领域经典专著(徐章遂, 徐英, 王建斌, 谢颖. 裂纹漏磁定量检测原理与应用[M]. 北京: 国防工业出版社, 2005)V型凹槽解析解错误,获得多种缺陷(梯型、矩型、V型和组合型凹槽缺陷)表面磁记忆信号的解析表达式。 

6、研究复杂环境下磁--弹塑性等因素耦合对磁记忆检测的影响。建立复杂环境下材料的磁--弹塑性多场耦合本构关系和磁记忆信号的定量化理论,系统澄清了材料所处复杂环境中的磁场、载荷、温度、弹塑性状态等因素是如何影响微磁信号以及这些因素之间的耦合机制;本文建立的理论模型是唯一可以同时定量描述温度、弹塑性状态等对磁记忆信号的影响的理论模型,理论模型预测结果与已有文献的实验结果达到很好一致。

该研究成果的数篇学术论文在力学、机械、物理学界的国际期刊发表,而以往磁记忆方法的研究多是实验分析,很少是定量化理论的研究。Journal of Applied Physics期刊的审稿意见称:实现了考虑温度和弹塑性状态影响的磁记忆检测方法的准确建模。建立的新模型是唯一可以定量描述弹性和塑性状态下磁记忆信号基本规律的理论模型,也是唯一能准确描述温度对磁记忆信号影响的理论模型。(“The author addressed the accurate modeling of the MMM testing considering the influences of temperature and elastoplastic state. The proposed model is the only theoretical model that can quantitatively describe the basic rules of magnetic memory signals in the elastic and plastic states, and is also the only theoretical model that can accurately describe the influence of temperature on magnetic memory signals. ”) International Journal of Mechanical Sciences期刊的审稿意见称:申请人的研究成果对于基于磁记忆检测方法实现铁磁材料损伤的早期预警有着重大的意义。(“The results of this study, I think, is quite meaningful and important in nondestructive testing technology that can realize the early diagnosis for the ferromagnetic material by using magnetic memory method.”)。Journal of Applied Physics期刊的审稿意见称:该有意义的工作实现了恒定微弱磁场下铁磁材料力磁耦合本构行为的精确建模,所建立的非线性本构模型比已有模型更精确,更重要的是它能够定量预测各种实验中观察到的复杂行为。(“This is fairly interesting piece of work, addressing the accurate modeling of the constitutive behavior of magnetomechanical coupling in ferromagnetic materials under a constant weak magnetic field. The developed nonlinear constitutive model is more accurate than the existing ones, and more importantly, it is able to predict quantitatively the complex behavior observed in various experiments.”)。IEEE Transactions on Magnetics》期刊的审稿意见称:该研究工作创新且完整地探讨了磁记忆检测方法的适用性。(“The manuscript reads well as a complete study with new findings about the applicability of magnetic memory method.”) 无损检测领域重要国际杂志《Nondestructive Testing and Evaluation的审稿意见称:论文相关结果可为磁记忆弱磁检测领域的研究人员提供有益的参考(“The paper is well organized and informative for the researchers related to MMM”)无损检测领域重要国内杂志、全国无损检测学会会刊《无损检测》的文章纠正了无损检测领域专著 (徐章遂, 徐英, 王建斌, 谢颖. 裂纹漏磁定量检测原理与应用[M]. 北京: 国防工业出版社, 2005)中基本公式的错误,杂志审稿意见称对该(无损检测)领域的研究有很好的参考价值

发表的磁记忆相关的学术论文

1.         Shi Pengpeng, Jin Ke, Zhang Pengcheng, Xie Shejuan, Chen Zhenmao, Zheng Xiaojing. Quantitative Inversion of Stress and Crack in Ferromagnetic Materials Based on Metal Magnetic Memory Method. IEEE Transactions on Magnetics, 2018, 54(10): 6202011, DOI 10.1109/TMAG. 2018.285689. (IF: 1.243, 中科院工程技术4 区,国际JCR 分区 Q3 (PHYSICS, APPLIED))

2.         Shi Pengpeng, Zhang Pengcheng, Jin Ke, Chen Zhenmao, Zheng Xiaojing. Thermo-magneto-elastoplastic coupling model of metal magnetic memory testing method for ferromagnetic materials. Journal of Applied Physics, 2018, 123: 145102. (IF: 2.176, 中科院物理3 区,国际JCR 分区 Q2(PHYSICS, APPLIED))(得到国际应用物理著名期刊J. Appl. Phys.的编辑重点推荐为Editor’s Pick,择优推荐<5%的文章)

3.         Shi Pengpeng, Jin Ke, Zheng Xiaojing. A magnetomechanical model for the magnetic memory method. International Journal of Mechanical Sciences, 2017, 124-125: 229-241 (IF: 3.570, 中科院工程技术大类2 , 国际JCR 分区 Q1(MECHANICS))

4.         Shi Pengpeng, Jin Ke, Zheng Xiaojing. A general nonlinear magnetomechanical model for ferromagnetic materials under a constant weak magnetic field. Journal of Applied Physics 2016, 119: 145103. (IF: 2.176, 中科院物理大类3 区,国际JCR 分区 Q2(PHYSICS, APPLIED))

5.         Shi Pengpeng, Zheng Xiaojing. Magnetic charge model for 3D MMM signals. Nondestructive Testing and Evaluation, 2016, 31(1): 45-60 (IF: 1.957, 中科院工程技术大类 4 区,国际JCR 分区 Q3(MATERIALS SCIENCE, CHARACTERIZATION & TESTING))

6.         时朋朋.缺陷漏磁场磁偶极子模型的若干解析解[J]. 无损检测, 2015, 37(03):1-7.

7.         时朋朋.地磁场作用半平面铁磁结构广义Flamant问题的弹性变形扰动静磁场解[J]. 固体力学学报,2014,35(06):517-526.

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