Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
Импульсный магнитный метод нашел широкое распространение на многих предприятиях республики, ближнего и дальнего зарубежья, причем сфера его применения постоянно расширяется. В связи с этим возрастает значение проблем, связанных с теоретическим и практическим решением ряда задач, необходимых для разработки новых методик и приборов, более приспособленных к условиям производства, рынка и обладающих большими возможностями для контроля ферромагнитных материалов и изделий из них.
В настоящий момент имеется значительное количество экспериментальных и теоретических работ, посвященных изучению процессов намагничивания ферромагнетиков в неоднородных магнитных полях и разработке методов расчета различных магнитных систем.
Сложность процессов, происходящих в ферромагнетике при импульсном намагничивании, затрудняет точное решение задач импульсного магнитного контроля. Анализ известных исследований показал, что ряд вопросов, касающихся решения теоретических и практических задач остался не изученным в полной мере, что ограничивает эффективность применения этого метода. Известные методики расчета распределения остаточной намагниченности на поверхности ферромагнитных изделий, локально намагниченных внешним неоднородным импульсным магнитным полем, не учитывают комплексного влияния ряда факторов: вихревых токов, явления гистерезиса и других нелинейных свойств ферромагнетика и т.д. К настоящему времени не исследовано влияние временных параметров намагничивающих импульсов, их формы и амплитуды, а также геометрии намагничивающего соленоида на распределение нормальной и тангенциальной составляющих поля остаточной намагниченности в зависимости от толщины и свойств контролируемого изделия; отсутствуют исследования, касающиеся оценке влияния ферромагнетика на формирование намагничивающих импульсов.
Дальнейшее развитие импульсного магнитного метода контроля связано с изучением закономерностей процессов намагничивания ферромагнетиков в неоднородных импульсных магнитных полях и выбором оптимальных параметров намагничивающих импульсов для получения стабильных результатов контроля. Кроме того, необходимо решить задачи, связанные с оптимизацией самих намагничивающих систем с целью создания сильных магнитных полей без использования систем охлаждения, обеспечивающих намагниченность, близкую к намагниченности насыщения.
Развитие теоретической базы импульсного магнитного контроля позволит глубже понимать процессы, происходящие в ферромагнетике при импульсном намагничивании, что значительно расширит возможность его применения и повысит его эффективность. Это даст возможность проводить качественный и количествен-
ный анализы процессов перемагничивания путем моделирования, не прибегая к экспериментальным исследованиям, роль которых в настоящее время велика.
Решению указанных и сопутствующих задач и посвящена данная работа.
Связь работы с крупными научными программами, темами.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с научно-техническими заданиями и планами работ лаборатории магнитных методов контроля Института прикладной физики Национальной академии наук Беларуси:
программа "Диагаостика-15" (№ ГР19962854) по теме "Исследование процессов намагничивания ферромагнетиков с неоднородной структурой применительно к проблеме контроля их прочностных характеристик"; утверждена постановлением Президиума АН Беларуси от 23 ноября 1995 г. № 88; сроки выполнения 1996 - 2000 гг.
по теме "Исследование процессов намагничивания ферромагнетиков в неоднородных импульсных полях и разработка на этой основе адаптивных систем бесконтактного контроля механических свойств сталей"; утверждена постановлением Президиума АН Беларуси от 21 января 1993 г., № 3; сроки выполнения 1993 -1994 гг.
- с Белорусским республиканским фондом фундаментальных исследований
(№ГР 19973635) по теме "Исследование процессов намагничивания ферромагне
тиков в форме полых цилиндров в локальных неоднородных импульсных магнит
ных полях", утверждена решением Совета фонда от 14 февраля 1997 г., протокол
№ 1; сроки выполнения 17.02.97 - 16.02.99 гг.
Цель и задачи исследования.
Целью диссертационной работы является дальнейшее развитие теоретических основ импульсного магнитного метода неразрушающего контроля, позволяющих оптимизировать параметры намагничивающих систем, что обеспечивает стабильность результатов контроля механических свойств изделий из ферромаг-' нитных материалов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать двумерную пространственную математическую модель, позволяющую рассчитывать численно напряженность поля остаточной намагниченности плоского ферромагнетика, намагниченного импульсным полем накладного соленоида;
исследовать влияние амплитуды и длительности фронтов намагничивающего импульса на величину нормальной и тангенциальной составляющих напряженности поля остаточной намагниченности при различных размерах намагничивающего соленоида и по этим результатам установить оптимальные амплитудные и временные параметры импульсного магнитного поля;
исследовать влияние контролируемого изделия на амплитуду и форму намагничивающих импульсов в системах импульсного магнитного контроля;
разработать методики расчета намагничивающих систем и параметров разрядной цепи, позволяющие сформировать импульсы максимальной амплитуды, заданной длительности и формы при минимальных энергетических затратах.
Объект и предмет исследования.
Объектом исследования являются плоские диски из ферромагнитных материалов, находящиеся в неоднородном импульсном магнитном поле, и намагничивающие системы, создающие эти поля.
Предметом исследования является установление характера распределения поля остаточной намагниченности плоских ферромагнитных дисков, намагниченных импульсным магнитным полем с различными амплитудными и временными характеристиками, и определение оптимальных параметров намагничивающих систем с целью получения стабильных результатов контроля.
Гипотеза.
Исследования, проводимые в работе, основываются на предположении существования оптимальных параметров намагничивающей системы при импульсном намагничивании изделий из ферромагнитных материалов, обеспечивающих максимальную чувствительность и стабильность результатов контроля.
Методология и методы проведенного исследования.
При построении модели для расчета поля остаточной намагниченности изделий, намагниченных импульсным магнитным полем, использовался численный метод решения нелинейных уравнений параболического типа, описывающих закономерности распределения магнитного поля в исследуемом объекте. Расчет магнитной системы производился на основе дискретной математической модели ферромагнетика с кусочно-постоянной аппроксимацией вектора намагниченности по элементам разбиения. Задача решалась с учетом нелинейной зависимости магнитных свойств материала от напряженности приложенного поля и вихревых токов. При этом использовались статические магнитные характеристики, что применимо в предположении отсутствия магнитной вязкости.
Экспериментальные исследования проводились на плоских ферромагнитных дисках разной толщины с разными магнитными свойствами.
Формирование намагничивающих импульсов с заданными амплитудными и временными характеристиками проводилось по специально разработанным методикам. Такой подход позволил выявить факторы, влияющие на распределение поля остаточной намагниченности и установить оптимальные параметры намагничивающего поля, которые должны быть реализованы в системах импульсного магнитного контроля плоских ферромагнитных изделий.
С целью формирования импульсов заданной амплитуды, длительности и формы разработаны методики расчета оптимальных геометрических параметров намагничивающих систем и параметров разрядной цепи.
Для определения оптимальных геометрических параметров намагничивающих систем импульсного магнитного метода контроля решалась задача максимизации величины постоянной соленоида при полной известной априорной информации с ограничениями в виде неравенств, обусловленных свойствами исследуемого ферромагнитного материала.
При решении сопутствующих задач в работе использовались стандартные методы математической физики, моделирования, обоснования, расчета, эксперимента, анализа и сравнения.
Научная новизна и значимость полученных результатов.
-
На основании разработанной математической модели впервые проведен расчет напряженности поля остаточной намагниченности плоского ферромагнетика после его намагничивания импульсным полем накладного соленоида с учетом неоднородности внешнего поля, нелинейной зависимости магнитных характеристик от напряженности внешнего поля, включая гистерезис, и вихревых токов. Теоретически получен и экспериментально подтвержден характер распределения нормальной и тангенциальной составляющих напряженности поля остаточной намагниченности при различных режимах намагничивания.
-
Впервые разработана методика расчета магнитного состояния плоского ферромагнетика в неоднородном постоянном приложенном поле накладного малогабаритного соленоида с учетом реальных свойств материала изделия. Разработана и экспериментально подтверждена двумерная математическая модель, позволяющая проводить расчет напряженности поля остаточной намагниченности плоского ферромагнетика после его намагничивания постоянным неоднородным магнитным полем.
-
Исследовано влияние длительностей переднего и заднего фронтов намагничивающих импульсов на распределение нормальной и тангенциальной составляющих напряженности поля остаточной намагниченности. Установлено, что для получения стабильной намагниченности изделий в диапазоне толщин от 1 до 30 мм следует выбирать длительность переднего фронта больше 1,2 мс и длительность заднего фронта больше 6 мс при амплитуде намагничивающих импульсов больше 5-Ю5 А/м независимо от геометрических параметров намагничивающего соленоида.
-
Впервые исследовано и оценено влияние ферромагнетиков на формирование намагничивающих импульсов в системах импульсного магнитного контроля. Установлено, что при использовании накладных преобразователей с размерами меньше чем внутренний радиус 5 мм, внешний радиус 25 мм, длина 30 мм в диапазоне длительностей импульса до Юме влиянием контролируемого изделия на формируемый намагничивающий импульс можно пренебречь.
-
Усовершенствован метод расчета оптимальных параметров систем импульсного намагничивания, основанный на учете зависимости постоянной затухания разрядной цепи от длительности формируемого импульса и геометрических размеров намагничивающего соленоида, позволяющий формировать при заданной энергии батареи накопительных конденсаторов импульсы магнитного поля максимальной амплитуды, заданной длительности и формы.
Практическая значимость полученных результатов.
Разработанная методика оптимизации параметров импульсных намагничивающих систем использовалась при создании прибора ИМПОК-1БМ, что дало возможность получить в рабочей области импульсы магнитного поля максимальной амплитуды и заданной формы с треб>емыми длительностями фронтов. Это позво-
лило выбрать оптимальный режим контроля прочностных характеристик листового проката в технологическом потоке производства на предприятии "Центр исследований и качества Бранденбург Гмбх (FQZ)", Германия.
Методика расчета оптимальных геометрических параметров намагничивающих систем с целью получения максимальной напряженности магнитного поля в системах импульсного намагничивания использовалась в закрытых разработках 4-го Центрального научно-исследовательского института Министерства обороны Российской Федерации.
Применение разработанных моделей и методик позволяет проводить выбор оптимальных параметров намагничивающих систем не только при контроле плоских изделий, но и изделий с другой геометрией.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
-
Двумерная пространственная математическая модель и методика расчета поля остаточной намагниченности плоского ферромагнетика, намагниченного импульсным полем накладного соленоида.
-
Методика расчета поля плоского ферромагнетика в неоднородном постоянном поле накладного соленоида.
-
Результаты экспериментальных исследований, определяющие влияние амплитуды, длительностей переднего и заднего фронтов намагничивающих импульсов на распределение нормальной и тангенциальной составляющих напряженности поля остаточной намагниченности в зависимости от толщины и свойств контролируемого изделия при различных размерах намагничивающего соленоида, позволяющие определить оптимальные временные и амплитудные параметры намагничивающих импульсов.
-
Результаты экспериментального исследования, позволяющие оценить влияние контролируемого изделия на величину и форму намагничивающих импульсов в системах импульсного магнитного контроля.
-
Методика расчета оптимальных параметров намагничивающего соленоида, выбор которых позволяет формировать импульсы магнитного поля максимальной амплитуды, заданной длительности и формы.
Личный вклад соискателя.
Автором предложена и реализована двумерная пространственная математическая модель для расчета напряженности поля остаточной намагниченности плоского ферромагнетика, намагниченного импульсным полем накладного соленоида с учетом зависимости магнитных свойств^материала изделия от внешнего поля и вихревых токов, а также модель и методика расчета напряженности поля плоского ферромагнетика в неоднородном постоянном поле накладного соленоида. Исследовано влияние амплитудных и временных параметров намагничивающих импульсов на величину напряженности поля остаточной намагниченности для ферромагнетиков разных толщин и свойств. Проведена оценка влияния контролируемого изделия на величину и форму намагничивающих импульсов. Разработана методика расчета оптимальных параметров намагничивающих систем, формирующих им-
пульсы максимальной амплитуды, заданной длительности и формы. Проведен цикл экспериментальных исследований, качественно и количественно подтверждающих теоретические результаты. Для проведения исследований разработано необходимое программное обеспечение.
Все исследования проводились по руководством д.т.н. Матюка В.Ф.
В работе с Пазиным А.А. автором полностью предложен, разработан и реализован графический интерфейс и программное обеспечение для измерительного комплекса на базе прибора "Топограф Магнитный ТМ"._
В работе с Чурило В.Р. автором предложена и реализована математическая модель, разработано программное обеспечение для расчетов.
Апробация результатов диссертации.
Результаты работы были представлены в докладах и тезисах на Международном симпозиуме "Неразрушающий контроль в гражданском строительстве" (Берлин, 1995 г.); Международной конференции "Компьютерные методы и обратные задачи в неразрушающем контроле и диагностике" (Минск, 1995 г.); Симпозиуме Польского общества прикладного электромагнетизма (Варшава, 1995 г.); I Европейской конференции "Магнитные преобразователи и приводы" (Яссы,
-
г.); 10й Общей конференции Европейского физического общества "10 направлений в физике" (Севилья, 1996 г.); Международной научно-технической конференции "Моделирование интеллектуальных процессов проектирования и производства" (Минск, 1996 г.); XVII Уральской региональной конференции (Екатеринбург,
-
г.); IX научно-технической конференции "Датчик-97" (Гурзуф, 1997 г.); 52й НТК профессоров, преподавателей, научных работников, аспирантов и студентов БГПА "Технические вузы - республике" (Минск, 1997 г.), 30-м Межгосударственном семинаре "Защитные покрытия и сварка" (Минск, 1999 г.).
Опубликованность результатов.
Основные результаты отражены в 19 печатных работах, в том числе 12 статей, 5 тезисов и докладов, получено 2 положительных решения по заявкам на патенты РБ.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, общей характеристики работы, пяти глав с краткими выводами по каждой главе, заключения по работе, списка использованных источников и приложений. Полный объем диссертации содержит 195 страниц, в том числе 90 страниц текста, 63 страницы иллюстраций (количество иллюстраций 67), 1 страница таблиц (количество таблиц 2), 24 страницы приложений (количество приложений 9), 17 страниц списка использованных источников из 229 наименований.
