基于压磁效应的钢材疲劳寿命预测的方法研究

本项课题不同于传统的应力应变疲劳寿命分析方法，而是通过研究钢材的压磁效应这种独特性能来预测材料的疲劳寿命，试验已经证明利用压磁磁场来检测钢料内部疲劳损伤要比传统的应力应变方法更加敏感。本项研究将对国产钢材试件进行材料疲劳试验，对得到的应力，应变，压磁磁场等试验数据进行以下研究：.（1）研究应力应变滞回曲线随着疲劳进行而演变的过程。.（2）研究压磁磁场随着疲劳进行而演变的过程。.（3）研究用压磁磁场来预测高周疲劳的方法。.（4）研究维拉里倒逆曲线的理论基础。.（5）研究试件周围三维压磁磁场的分布以及其随着疲劳进行而演变的情况。.本课题将确立一定的压磁磁场参数来预测钢材料的疲劳寿命，探索压磁效应作为一种非破坏性疲劳检测方法在工程实践当中的应用。通过本课题的研究，希望能发展出一种全新的利用钢材压磁效应的疲劳寿命预测方法，为钢材料疲劳破坏检测这个领域带来重大突破。

本项目通过试验研究和数据分析来揭示压磁效应和钢材疲劳损伤之间的内在联系。课题制作了Q235，U71Mn，GCr15以及AISI 1018等多种钢材试件，开展了钢材疲劳试验研究；深入研究了应力应变滞回曲线的演变过程，改进了机械滞回能量的计算方法，分析显示滞回曲线面积的演变过程与材料疲劳破坏进程的三个主要阶段完全吻合：起始调节，破坏积累，最终断裂；深入研究了疲劳作用下钢材压磁磁场的演化规律，确立了磁场滞回曲线起始点和终结点为疲劳寿命预测参数，建立了钢材疲劳寿命预测方法；深入研究了疲劳作用下试件周围三维压磁磁场的分布及其演化情况，提出试件周围压磁磁场近似于简单的条形磁铁周围磁场分布；通过对Q235低碳钢试件的拉伸试验以及对试验数据的ANSYS有限元数值模拟，研究了应力对压磁磁场的影响，探索了钢材压磁效应的物理机制；最后，通过输电铁塔钢管节点试验，探索了压磁效应作为一种无损检测方法在工程中的应用。本课题利用自行设计的弱磁场信号测量系统动态监测钢材的疲劳损伤，建立了基于机械滞回能量和压磁磁场的钢材疲劳寿命预测模型，本项目对于钢轨疲劳损伤的机理研究以及钢轨疲劳断裂的早期预警都具有重要意义。结合课题研究任务，已经发表学术论文7篇，其中5篇被SCI收录，另有2篇SCI论文被录用并已在线发表；培养2位硕士生，有9位本科生参加了疲劳试验。