基于磁特性参数的钢丝绳张力检测仿真与实验研究

发布时间：2017-10-07 02:00

  本文关键词：基于磁特性参数的钢丝绳张力检测仿真与实验研究

  更多相关文章： 钢丝绳 磁参数 传感器 有限元仿真 感应电压

【摘要】：钢丝绳广泛应用于矿山、电梯、索道等多个领域,其作为主要的承受拉力的构件,在服役过程中将不可避免的会受到一些损伤,从而使其在承受力的作用时会产生应力集中现象,引起局部失效,严重时将会导致突然断裂,引起重大事故的发生。因此,研究钢丝绳实际受力状态对其材料性质变化的影响具有重要的意义。本文在查阅了大量有关钢丝绳张力检测的中英文文献的基础上,着重研究了基于磁力耦合法的钢丝绳张力检测技术。通过理论分析、有限元仿真和实验研究,分析了该检测技术在对钢丝绳张力检测时的基本理论方法和实用性。本文已完成工作如下:(1)由于钢丝绳的结构成分属于铁磁性材料,因此本文结合铁磁学理论,从微观结构(磁畴和磁畴壁)分析了应力对钢丝绳组成材料的影响,得出施加张力产生的应力集中会使钢丝绳的微观结构发生变化,从而使其磁特性参数发生改变的结论,并从钢丝绳微观结构的角度阐述了钢丝绳的磁化过程以及应力对磁化过程的影响。(2)通过逆磁致伸缩效应解释了力与材料伸缩以及其磁参数变化的规律,分析了在外磁场和应力的作用下钢丝绳材料能量的变化规律。根据朗之万理论和Jiles-Atherton理论建立了应力对钢丝绳磁特性参数影响的数学模型,并分析了基于磁参数钢丝绳张力检测方法的基本原理和方法。(3)在简述了基于磁参数钢丝绳拉力检测传感器设计原理的基础上,根据本文实验所用到的实验试件和相关要求,完成了钢丝绳拉力检测传感器的设计,并利用有限元软件对其进行了分析。(4)通过Matlab对已建立的数学模型进行计算得到不同应力下的磁参数,将其作为已知条件带入有限元软件ANSYS中进行计算。通过建立跑道型线圈,设定线圈匝数,产生激励电流,试件置于感生磁场中被磁化加载的方式进行计算。本文分别对具有不同裂纹深度的试件进行模拟计算。模拟结果表明:相同裂纹深度的试件(或无损伤试件),磁感应强度的大小随张力的增大而增大,且二者具有很好的线性关系;当对试件施加相同大小的张力时,磁感应强度值与裂纹深度值呈现正相关关系;当试件不受力(即张力值为零)时,磁感应强度值与裂纹深度值具有线性相关关系;当无损伤试件与有损伤试件(取裂纹深度为0.5mm的损伤试件)相比较时,试件受到损伤后其磁感应强度在相同张力作用下会增大;试件磁导率的大小随张力的增大而增大。(5)设计并搭建了基于磁特性参数的张力检测实验系统。磁测量张力无损检测系统主要包括传感器、信号发生器、功率放大器、数据采集系统和数据处理拟合系统等。采用万能拉伸机对不同裂纹深度的试件逐级加载进行拉伸,经本文设计的拉力检测传感器输出感应电压信号,计算磁感应强度,并对实验结果进行了线性拟合分析。实验结果表明,相同裂纹深度的试件输出感应电压幅值及磁感应强度随张力的增大而增大,二者具有线性关系;相同张力的作用下,输出感应电压幅值及磁感应强度随裂纹深度的增大而增大。实验验证了仿真的正确性。
【关键词】：钢丝绳 磁参数 传感器 有限元仿真 感应电压
【学位授予单位】：青岛理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG356.45
【目录】：

• 摘要9-11
• Abstract11-14
• 第1章 绪论14-20
• 1.1 概述14-15
• 1.1.1 课题来源14
• 1.1.2 课题研究的意义14-15
• 1.2 钢丝绳力学性能和张力检测技术的研究现状15-18
• 1.2.1 国内外钢丝绳力学性能的研究现状15-16
• 1.2.2 钢丝绳张力检测技术的发展状况16-18
• 1.3 本文研究的主要内容18-20
• 第2章 钢丝绳磁性能基本原理20-28
• 2.1 钢丝绳的基本磁特性20-23
• 2.1.1 钢丝绳材料属性的确定20-21
• 2.1.2 磁畴和磁畴壁21-23
• 2.1.2.1 磁畴21-22
• 2.1.2.2 磁畴壁22-23
• 2.2 磁化过程23-25
• 2.2.1 铁磁材料的磁化过程23-25
• 2.2.2 脉冲磁场中的磁化过程25
• 2.3 应力对磁化过程的影响25-26
• 2.4 本章小结26-28
• 第3章 基于磁特性参数的钢丝绳张力检测理论研究28-38
• 3.1 磁致伸缩效应和逆磁致伸缩效应28-30
• 3.1.1 磁致伸缩效应28-29
• 3.1.2 逆磁致伸缩效应29-30
• 3.2 在外磁场和应力的作用下铁磁体中的能量30-34
• 3.2.1 交换能30-31
• 3.2.2 磁晶各向异能31-32
• 3.2.3 磁弹性能32-33
• 3.2.4 外磁场能33
• 3.2.5 退磁场能33-34
• 3.3 磁力耦合应力检测数学模型的建立34-35
• 3.4 张力检测的基本原理和方法35-37
• 3.5 本章小结37-38
• 第4章 基于磁参数拉力传感器的设计与仿真38-54
• 4.1 基于磁参数拉力传感器的设计原理38-39
• 4.2 基于磁参数拉力传感器的设计39-44
• 4.2.1 磁通量和磁阻的确定40-41
• 4.2.2 磁路结构和线圈参数的确定41-44
• 4.3 基于磁参数拉力传感器仿真分析44-52
• 4.3.1 ANSYS仿真软件介绍及操作方式的确定44-45
• 4.3.2 基于磁参数传感器模型仿真分析过程45-52
• 4.4 本章小结52-54
• 第5章 钢丝绳力-磁效应仿真分析54-70
• 5.1 ANSYS磁场分析的基本理论54-57
• 5.1.1 电磁场的基本理论54-56
• 5.1.2 电磁场仿真分析的定解条件56-57
• 5.2 耦合场分析基本理论57-59
• 5.2.1 耦合场分析定义57
• 5.2.2 耦合场分析的类型57-59
• 5.3 ANSYS有限元磁力耦合仿真分析59-67
• 5.4 本章小结67-70
• 第6章 基于磁参数钢丝绳张力检测实验研究70-82
• 6.1 总体方案的设计和试件的制备70-72
• 6.1.1 总体方案的设计70
• 6.1.2 实验试件的制备70-72
• 6.2 实验设备72-75
• 6.2.1 硬件设备72-74
• 6.2.2 软件系统设计74-75
• 6.3 张力实验和实验结果分析75-80
• 6.4 本章小结80-82
• 第7章 结论与展望82-84
• 7.1 论文工作总结82-83
• 7.2 研究展望83-84
• 参考文献84-88
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文88-90
• 致谢90

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本文编号：986240