Способ определения механических напряжений в конструкциях из ферромагнитных материалов

Изобретение относится к области измерения механических напряжений, действующих в металлоконструкциях из ферромагнитных материалов. Способ заключается в измерении двойной амплитуды напряженности магнитного поля рассеяния намагниченного участка металлоконструкции. Измерение производят сначала на металлоконструкции в нагруженном состоянии. Затем нагрузку снимают и снова прикладывают. Механические напряжения определяют по изменению двойной амплитуды напряженности магнитного поля рассеяния в результате снятия и возвращения дозированной нагрузки и предварительно полученному градуировочному графику. 2 ил.

 

Изобретение относится к области измерения механических напряжений в элементах конструкций из ферромагнитных материалов и может быть использовано для измерения напряжений, возникающих в процессе эксплуатации мостов, опор высоковольтных линий, газо- и нефтепроводов и других металлоконструкций.

Известен способ измерения напряжений в элементах стальных конструкций /А.С. СССР 731324, МКИ 2 G 01 L 1/12, опубл. 1980/.

Способ заключается в том, что исследуемый участок металлоконструкции с помощью дополнительного приспособления нагружают (или разгружают) на величину Δσ поэтапно, вначале на Δσ₁ (первая ступень), затем на Δσ₂ (вторая ступень). Для каждой ступени фиксируют соответствующее изменение сигнала ΔU₁ и ΔU₂ на выходе электромагнитного датчика. Соответственно, для каждой ступени измеряют значения первой производной зависимости выходного сигнала датчика от приложенных напряжений. Берут среднее арифметическое значение первых производных, полученных на каждой ступени нагружения. Численное значение второй производной получают по изменению первых производных.

Величину и знак искомых напряжений определяют, решая систему уравнений.

Недостатком метода является низкая точность измерения, отсутствие строгой корреляции между используемыми формулами и результатами эксперимента.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения полей напряжений в деталях из ферромагнитных материалов, который основан на зависимости относительного изменения амплитуды магнитного поля остаточно намагниченного участка металлоконструкции от величины приложенных напряжений /Патент Р.Ф. 2154262, МПК 7 G 01 L 1/12, опубл. 2000/.

Способ основывается на эффекте магнитоупругой памяти и заключается в следующем. Деталь или элемент металлоконструкции, в которой определяют напряжения, предварительно размагничивается. Затем в ненагруженном элементе производится с помощью электромагнита и импульсного генератора тока или постоянного магнита локальное намагничивание выбранных участков (наносится матрица магнитных меток) на интересующий участок поверхности или на всю деталь. Производится сканирование поверхности детали датчиком магнитного поля, соединенного с магнитометром, с записью магнитограмм самописцем. Затем производится нагружение, повторное сканирование поверхности детали и запись магнитограмм матрицы меток после нагружения. Далее определяется величина относительного изменения амплитуды магнитных меток (Н_r0-Н_ri)/Н_r0 до и после нагружения.

Распределение полей действовавших напряжений строится в соответствии с матрицей магнитных меток по величине относительного изменения амплитуд напряженности магнитного поля магнитных меток и градуировочной кривой.

Недостатком такого способа является необходимость определения величины напряженности магнитного поля Н_r0 для ненагруженной металлоконструкции, что для находящихся в эксплуатации металлоконструкций сделать физически не возможно.

Предлагаемое изобретение предназначено для решения задач оперативной оценки величины механических напряжений эксплуатируемых конструкций из ферромагнитного материала.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения, быстрота обработки полученных результатов.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения механических напряжений в металлоконструкциях из ферромагнитного материала путем намагничивания и измерения изменения двойной амплитуды напряженности магнитного поля рассеяния остаточно намагниченного участка после приложения нагрузки особенностью является то, что металлоконструкцию намагничивают в нагруженном состоянии, измеряют двойную амплитуду напряженности магнитного поля рассеяния, снимают и снова прикладывают дозированную нагрузку, по изменению двойной амплитуды напряженности магнитного поля рассеяния в результате снятия и возвращения дозированной нагрузки и ранее полученному градуировочному графику на модели металлоконструкции из той же марки стали определяют действующие в металлоконструкции механические напряжения.

Повышение точности измерений предлагаемым способом обусловлено учетом величины имеющихся в металлоконструкции механических напряжений. Быстрая обработка полученных результатов и определение величины действующих в металлоконструкции механических напряжений обусловлено тем, что до начала обследований металлоконструкции в лабораторных условиях на модели металлоконструкции из той же марки стали получают градуировочный график зависимости изменения сигнала магнитометра от величины механической нагрузки и вносят эти результаты в ЭВМ. И уже используя оперативные возможности компьютера, можно получить конечный результат измерений - величину действующих в металлоконструкции механических напряжений.

Физическая сущность метода заключается в монотонном необратимом увеличении эффекта магнитоупругого размагничивания (необратимого изменения напряженности магнитного поля рассеяния ΔН после снятия и возврата дозированной нагрузки) при уменьшении базовой нагрузки.

На фиг.1 представлен график зависимости необратимого изменения напряженности магнитного поля ΔН рассеяния магнитной метки стали 09Г2С от величины нагрузки (сжатие) за цикл изменяемой дозированной разгрузки Δσ, где кривая 1 - соответствует дозированной разгрузке в 50 МПа, кривая 2-100 МПа, кривая 3-150 МПа, на фиг.2 представлена матрица полюсов локально намагниченных участков (магнитных меток) исследуемого ферромагнитного материала.

Из фиг.1 видно, что изменение напряженности магнитного поля рассеяния ΔН намагниченного участка после снятия и возвращения изменяемой дозированной нагрузки зависит от величины существующих напряжений σ. Абсолютное изменение напряженности магнитного поля рассеяния ΔН тем больше, чем больше амплитуда дозированной разгрузки.

Магнитная метка представляет собой остаточно намагниченный в одном направлении участок металлоконструкции, на котором расположены полюса N и S. Матрица магнитных меток (фиг.2) позволяет определять поля напряжений и, кроме того, уменьшать влияние внешнего поля Земли или поля лаборатории, краевого эффекта на результаты измерения. Положительный эффект достигается тем, что при использовании матрицы магнитных меток создается участок одного направления намагниченности, чередующийся с участком противоположного направления намагниченности, расположенный между метками. Поэтому в результате действия внешнего магнитного поля на магнитную метку уменьшается остаточная намагниченность одного полюса (например, N), но увеличивается остаточная намагниченность другого полюса (S). В целом амплитуда магнитной метки не изменяется.

Способ осуществляется следующим образом.

Участок металлоконструкции из ферромагнитного материала, например металлическая опора моста, намагничивается в нагруженном состоянии (базовая нагрузка). Для исключения внешнего магнитного поля наносится матрица локальных намагниченностей (матрица магнитных меток), например, в виде, представленном на фиг.2.

Намагничивание осуществляется либо постоянными магнитами, либо электроимпульсным намагничивающим устройством и измеряется с помощью датчика магнитного поля, магнитометра и самописца максимум напряженности магнитного поля рассеяния в точке 1 - H_1max и в точке 2 - Н_2mах. Определяют разность ΔH=H_1max-H_2max экстремальных значений магнитного поля в этих точках, которая является двойной амплитудой изменения напряженности магнитного поля при переходе от одной метки к другой. Затем снимается и снова прикладывается дозированная нагрузка опоры моста, с последующим повторным измерением напряженностей магнитного поля H'_1max и H'_2max в тех же точках соответственно. По изменению двойной амплитуды напряженности магнитного поля рассеяния ΔН-ΔН', которое происходит в результате снятия и возвращения дозированной нагрузки, и предварительно полученному в лабораторных условиях на модели металлоконструкции из той же марки стали градуировочному графику определяют действующие механические напряжения в области меток.

Пример градуировочных кривых приведен на фиг.1 для образца из стали 09Г2С.

Способ определения механических напряжений в металлоконструкциях из ферромагнитного материала путем намагничивания и измерения изменения двойной амплитуды напряженности магнитного поля рассеяния остаточно намагниченного участка после приложения нагрузки, отличающийся тем, что металлоконструкцию намагничивают в нагруженном состоянии, измеряют двойную амплитуду напряженности магнитного поля рассеяния, снимают и снова прикладывают дозированную нагрузку, по изменению двойной амплитуды напряженности магнитного поля рассеяния в результате снятия и возвращения дозированной нагрузки и ранее полученному градуировочному графику на модели металлоконструкции из той же марки стали определяют действующие в металлоконструкции механические напряжения.