发射车调平油缸结构损伤弱磁探测仿真分析.pdf

2023 年 8 月第 19 卷 第 3 期系统仿真技术System Simulation TechnologyAug.，2023Vol.19，No.3发射车调平油缸结构损伤弱磁探测仿真分析张雨辰*，刘涛，李志成（海军航空大学，山东 烟台，264001）摘要：调平油缸是某型发射车的主要承力部件，利用弱磁探测技术对其应力集中区和结构损伤点的原位识别具有十分重要的意义。本研究首先构建了调平油缸的三维结构模型和磁场环境模型，进行静态受力分析，然后分别开展调平油缸应力集中、应力释放、损伤裂纹深度、腐蚀损伤程度以及损伤类型与弱磁检测信号的ANSYS有限元仿真实验。结果表明，利用弱磁无损探测技术能够有效检测出调平油缸结构中出现的应力集中和结构损伤情况，并可确定缺陷的类型与大小。关键词:调平油缸；结构损伤；弱磁探测；有限元仿真Simulation and Analysis of Weak Magnetic Damage Detection Technology of Leveling Cylinder of Missile Launching VehicleZHANG Yuchen*，LIU Tao，LI Zhicheng（Naval Aeronautical University，Yantai 264001，China）Abstract：The leveling cylinder is the main load-bearing component of a certain type of launch vehicle.It is of great significance to use weak magnetic detection technology to identify the stress concentration area and structural damage points.Firstly，a three-dimensional structural model and a magnetic field environment model of the leveling cylinder were constructed，and static stress analysis was conducted.Then，ANSYS finite element simulation experiments were conducted on the stress concentration，stress release，depth of damage cracks，degree of corrosion damage，damage type，and weak magnetic detection signal of the leveling oil cylinder.The results show that the use of weak magnetic non-destructive detection technology can effectively detect stress concentration and structural damage in the leveling cylinder structure，and determine the type and size of defects.Key words：leveling vehicle；mechanical damage；weak magnetic detection；finite element simulation弱磁无损检测技术是近年来出现的一种无损探测技术，已在石油管道探测领域得到成功应用，与目前的损伤检测方法如超声波、辐射和涡流相比，具有无需表面处理、对人体无害、设备轻便、原位检测等优点，可对多种材料、多种类型的缺陷进行检测1-5。本研究对发射车调平油缸受到的应力、产生缺陷类型与弱磁无损检测技术之间的关系展开研究，并利用ANSYS有限元仿真软件进行实验仿真，分析应力集中、结构损伤裂纹深度、损伤程度以及不同缺陷形状对弱磁无损检测结果的影响6-8。1 弱磁无损检测技术 弱磁无损检测的基本思想是利用基体材料和缺陷之间的相对磁导率差异产生的弱磁异常特性来定位和识别缺陷。弱磁无损检测技术是一种利用计算机技术、磁信号处理、磁传感器、磁效应现象和材料磁性特征的磁性无损检测方法。中图分类号:TG441.7 文献标志码:A 通信作者：张雨辰，E-mail:DOI:10.16812/31-1945.2023.03.003张雨辰，等：发射车调平油缸结构损伤弱磁探测仿真分析1.1基本原理将被测件置于地磁场中，在连续且均匀的铁磁性物质或顺磁性物质中，磁感应线会受到约束。但当材料有不连续的缺陷时，材料的组织状态会改变其磁导率，在缺陷处会出现磁异常，如图1所示。如果材料本身的相对磁导率大于材料缺陷处的相对磁导率，那么缺陷处试样表面的磁感应强度就会增大，磁感应线就会向外突起。相反，如果材料本身的相对磁导率小于材料中不连续缺陷处的相对磁导率，那么缺陷处试样表面的磁感应强度就会减小，则磁感应线表现为向内凹进。弱磁无损检测技术正是利用磁感应器测量测试件 表 面 的 磁 感 应 强 度，来 判 断 材 料 中 是 否 存 在缺陷9-12。1.2力磁关系当外部载荷作用于铁磁性元件时，材料的内部磁畴结构会发生定向运动和不可逆的重新取向，这种微观变化将会使材料磁导率发生变化，当材料受到应力载荷时，在应力集中区和应力释放区将会由于材料相对磁导率的变化使得表面磁感应强度分布曲线产生突起和凹陷。当铁磁材料受到应力载荷为的作用时，其内部产生的应力能可以表示为E=-32（1）式（1）中，为应力为时铁磁材料的磁滞伸缩系数。根据电磁场理论，可得Eu=-12(B-B)H（2）式（2）中，Eu为磁能变化量；H为地磁场强度；B为外应力作用下铁磁材料的磁感应强度；B为无外应力作用下铁磁材料的磁感应强度。根据能量守恒定律，联系式（1）和（2），则有-12(B-B)H=-32（3）式（3）中，B=0H；B=0H；其中为材料未受力状态下的初始磁导率，为材料承受外加应力。将B=0H和B=0H代入式（3）可得-BB=3（4）根据胡克定律，实心的铁磁材料在弹性变形阶段有Exy=BB（5）式（5）中，x，y分别为钢构件单元的长度和宽度，当铁磁材料达到磁饱和状态时，B=B=Bm，则式（5）可以表示为Emxy=B2m（6）式（6）中，m为饱和磁滞伸缩系数，Bm代表饱和磁感应强度。联系式（4）（6）则有=B2m0B2m-30m=+30mB2m-30m（7）式（7）中，真空磁导率0=4 10-7H/m，m为饱和磁感应强度，m为饱和磁滞伸缩系数，i为初始相对磁导率，为外应力不为0时计算得到的相对磁导率6。2 ANSYS有限元建模 2.1建立调平油缸模型调平装置为某型发射车提供稳定的发射基准平台，是其主要承力系统。调平装置中共有4个调平油缸，两两对称分布在车辆底盘左右两侧，通过安装座与底盘扭杆座相连。以单个调平油缸为例，缸体材料为某号钢，缸径为140 mm，活塞杆直径为110 mm，行程为780 mm，安装长度为1250 mm。通过Solid Works软件建立模型，模型尺寸（直径长度）为 110 mm780 mm。将其导入ANSYS有限元仿真软件中，并通过定义材料参数、网格划分、施加约束、平面转换等步骤进行仿真研究，如图2所示。仿真前需要对调平油缸施加约束和载荷，包括顶部的液压压力载荷和底部的固定端约束。通过建立的模型对调平油缸的裂纹及腐蚀损伤情况进行研究，设置不同缺陷进行仿真，包括不同裂纹深度、不同腐蚀程度和内部不同形状的损伤缺陷，分析不同缺陷模型对调平油缸弱磁检测技术的影响。图1铁磁性物质磁异常特征图Fig.1Magnetic anomaly characteristic diagram of ferromagnetic material图2调平油缸模型Fig.2Leveling cylinder model267系统仿真技术第 19 卷 第 3 期2.2磁场环境建立弱磁无损检测技术在天然地磁场的环境下进行检测，因此在仿真分析中需要建立地磁场环境，对发射车调平油缸模型施加相同大小的地磁场磁感应强度来模拟环境，地磁场的场强约为0.5 Gs，即5 10-5 T，在ANSYS仿真软件中采用NdFe30双永磁体来模拟地磁场，磁标量为7 000 A/m，相对磁导率为1.044 6 Ms/m。静磁场求解时，空气介质平行边界需要加载边界条件。求解结束后，查看各个模型磁感应强度云图并进行分析，其中仿真得到调平油缸无损失感应磁力线云图如图3所示。3 仿真分析 3.1应力集中区对弱磁检测的影响发射车调平油缸承受发射车的重力载荷，在多次重复使用承力作业中，由于结构制造偏差缺陷、材料缺陷等原因，会导致调平油缸内局部产生应力集中区，易持续发展为结构损伤触发点，因此探测应力集中区是作为后续定期检测工作的重要输入。设置油缸的径向连接处为应力集中区，利用静磁学分析对材料磁属性赋值，在地磁场环境下进行静磁学分析，求得模型表面上的磁感应强度信号。图4为调平油缸应力集中处表面磁力线图，图5为调平油缸应力集中处表面磁感应强度曲线图。由图5可知，在应力集中区外表面磁感应强度曲线发生了强度突变，这是由于应力集中区的磁畴组织结构发生了定向移动和不可逆的重新取向，磁畴的磁矩方向趋于一致，使得应力集中区域表面的漏磁场发生变化，应力集中区的磁场表征为大量的磁化能量，最终在应力或应变集中区域积累，显示出一个明显的泄漏磁场“峰值”。3.2应力释放区对弱磁检测的影响在使用发射车调平油缸的过程中，由于其内部压力的变化和工作负载的作用，会相应产生应力释放区。利用静磁学分析调平油缸所产生的应力释放区对于弱磁无损检测的影响，对调平油缸应力释放区进行材料磁属性赋值，在地磁场环境下进行静磁学分析，求得模型表面上的磁感应强度信号。图6为应力释放区表面磁力线图，图 7 为应力释放部分表面磁感应强度曲线图。图3调平油缸磁力线分布Fig.3Magnetic line distribution of leveling cylinder图4应力集中处表面磁力线图Fig.4Surface magnetic field lines at stress concentration points图5应力集中处表面磁感应强度曲线图Fig.5Surface magnetic induction intensity curve at stress concentration图6应力释放区表面磁力线图Fig.6Magnetic line diagram on the surface of stress relief area268张雨辰，等：发射车调平油缸结构损伤弱磁探测仿真分析应力释放区的磁力线明显变疏松，磁感应强度出现向下减小的峰值，这是因为应力释放区的磁畴组织结构发生了相应改变，磁畴的磁矩方向趋于相反，使应力释放区域表面的漏磁场发生变化，磁感应强度出现了向下减小的峰谷。3.3不同裂纹深度对磁感应线的影响为分析裂纹深度改变对弱磁检测技术的影响，分别建立不同裂纹长度缺陷模型，形状为槽形裂纹，裂纹区域填充物质为空气，求解得磁感应强度云图，如图8所示。槽形裂纹宽度为2 mm，尺寸分别设置（宽深）为 mm5 mm、2 mm15 mm、2 mm25 mm、2 mm35 mm、2 mm45 mm、2 mm55 mm。裂纹缺陷的磁感应强度在裂纹产生处发生变化，图8为不同裂纹深度下的磁感应强度曲线，当裂纹形状改变时，磁异常区域也发生改变。检测线路取相同路径长度，提取每点的磁感应强度变化量，分析云图磁异常信号，如图9所示，横坐标为模型裂纹深度，分别表示5种不同类型的裂纹缺陷模型，纵坐标为缺陷处磁感应强度改变量。随着裂纹损伤深度的增大，磁感应强度变化量也呈线性增大，磁感应强度峰值绝对值变大。图7应力释放部分表面磁感应强度曲线图Fig.7Magnetic induction intensity curve on the surface of stress release part图8不同裂纹深度的磁感应强度曲线图Fig.8Magnetic induction intensity curve of leveling cylinder surface269系统仿真技术第 19 卷 第 3 期3.4不同损伤程度对磁感应线的影响模拟应力腐蚀损伤程度，分别建立6种不同半径的半圆缺陷模型，缺陷区域所填充物质为空气，相应模型磁感应强度如图10所示。当腐蚀深度改变时，磁异常区域也发生改变。检测线路取相同路径长度，提取每点的磁感应强度变化量，绘制腐蚀程度与磁感应强度变化关系图，如图 11 所示，图 11 横坐标为模型腐蚀程度，分别表示6种不同类型的腐蚀缺陷模型，纵坐标为缺陷处磁感应强度改变量。由图10和图11可知，随着腐蚀程度损伤深度的增大，磁感应强度突变区域也随之增大，磁感应强度变化量也呈线性增大，磁感应强度峰值绝对值相应变大。3.5不同损伤形状对磁感应线的影响分别建立内部产生不同缺陷形状模型，其中包括圆形缺陷、方形缺陷，形状如图12所示，缺陷区域所填充的物质为空气，进行求解，得到不同缺陷形状的磁感应强度曲线，如图13所示。（1）内部圆形缺陷：半径为10 mm，分别埋藏于母材内部距离表面25 mm、45 mm、65 mm处；（2）内部方形裂纹：裂纹尺寸设置（宽长）为20 mm20 mm，分别埋藏于距离材料表面 25 mm、45 mm、65 mm处。由图13可以看出，当某号钢镀铬存图9裂纹深度与磁感应强度变化关系图Fig.9Crack depth trend chart图10不同腐蚀损伤程度的磁感应强度曲线Fig.10Magnetic induction intensity curve of leveling cylinder surface270张雨辰，等：发射车调平油缸结构损伤弱磁探测仿真分析在内部缺陷时，其磁感应强度在其位置处发生变化，对比圆形缺陷及方形缺陷磁场强度云图可得，当缺陷内部形状发生改变时，磁异常区域也相应发生改变。磁感应强度曲线变化情况反映缺陷的形状属性，如果磁力线平滑变化存在峰值，则损伤以连续圆滑形状为主，如果磁力线变化存在峰值的同时还存在着细小突变，则损伤形状存在尖锐拐角。4 结 论 通过对发射车调平装置的受力和磁感应强度的有限元仿真实验分析得到如下结论。（1）利用弱磁检测技术能够有效检测出某调平油缸内部应力集中和应力释放损伤缺陷。图11腐蚀程度与磁感应强度变化关系图Fig.11Corrosion degree trend chart图12不同缺陷类型形状图Fig.12Shape maps of different types of crystal fault defects图13不同缺陷形状的磁感应强度曲线Fig.13Magnetic induction intensity curve of leveling cylinder surface271系统仿真技术第 19 卷 第 3 期（2）根据磁感应强度曲线分析结果，能够判断缺陷的不同属性，包括损伤深度、损伤大小和损伤形状等。（3）本研究主要针对理想情况下某调平油缸损伤的磁感应强度进行分析，实际中弱磁探测还受多种因素影响，如探测精度、表面涂层等，需要补偿修正和进一步研究。参考文献：1瞿军，刘林密海军导弹发射技术 M 北京：兵器工业出版社，2015.QU Jun，LIU Linmi.Naval missile launch technology M.Beijing：Ordnance Industry Press，2015.2于润桥，胡博弱磁无损检测技术 M 北京：科学出版社，2018.YU Runqiao，HU Bo.Weak magnetic non-destructive testing technology M.Beijing：Science Press，2018.3苏三庆，刘馨为，王威，等.金属磁记忆检测技术研究新进展与关键问题 J.工程科学学报，2020，42（12）：1557-1572.SU Sanqing，LIU Xinwei，WANG Wei，et al.Progress and key problems in the research on metal magnetic memory testing technologyJ.Chinese Journal of Engineering，2020，42（12）：1557-1572.4ZENG Ye，ZHAO Mengting，HUANG Zihao，et alNoninvasive pressure measurement based on magnetomechanical effects J Measurement Science and Technology，2018，29（9）：095106-8.5周明，黄新敬，陈乾，等.基于弱交流磁化的钢材应力检测方法研究J.电子测量与仪器学报，2021，35（11）：23-31.ZHOU Ming，HUANG Xinjing，CHEN Qian，et al.Research on steel stress detection method based on weak AC magnetization J.Journal of Electronic Measurement and 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