基于巴克豪森效應(yīng)的高強鋼板成形零件的力學性能檢測.pdf

1、近年來，汽車行業(yè)越來越多地使用高強鋼來制造車身安全零部件，為了保證零件的安全性能，成形后的高強鋼零件的基本力學性能（強度、硬度、殘余應(yīng)力、微觀組織等）需要進行在線檢測，而目前傳統(tǒng)的檢測方法如金相法、拉伸法等不僅測試周期長，且會對零件產(chǎn)生不可逆的損傷。為了實現(xiàn)汽車高強鋼板零件力學性能的快速無損檢測，本文提出了基于巴克豪森效應(yīng)（Magnetic Barkhausen Effect，MBE）的無損檢測方法。
　　巴克豪森效應(yīng)（Magne

2、tic Barkhausen Effect，MBE）是指鐵磁材料在交變磁場的作用下，內(nèi)部的磁疇發(fā)生多種形式的翻轉(zhuǎn)，而在釘扎的阻礙下，磁疇的翻轉(zhuǎn)表現(xiàn)出階躍式的運動特征，其結(jié)果是產(chǎn)生類似噪聲的周期性電磁信號（Magnetic Barkhausen Noise，MBN）。為了實現(xiàn)基于MBN的高強鋼板零件無損檢測，不僅需要研究每種力學性能對MBN的影響，更需要分辨出MBN信號中不同成分與不同力學性能之間的關(guān)聯(lián)性，并從微觀進行解釋，為此本文從宏觀

3、信號處理和微觀數(shù)值模擬的角度進行了多方面的研究。
　　通過研究材料對電磁激勵信號的響應(yīng)，及其MBN的信號特征，自主開發(fā)了MBN信號檢測系統(tǒng)。針對MBN信號頻率成分復(fù)雜，以及信號受多種因素影響的特征，在傳統(tǒng)的時域分析的基礎(chǔ)上，提出了針對MBN信號進行超分辨率譜分析和信號重構(gòu)的多尺度信號處理方法。這兩種方法為實現(xiàn)多種力學性能變量的檢測奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
　　基于MBN信號的時域分析方法，本文針對硬度和彈性應(yīng)力兩大力學參數(shù)進行了研究

4、。研究發(fā)現(xiàn)隨著硬度的增加，磁疇翻轉(zhuǎn)的阻力變大，導(dǎo)致MBN信號逐漸減弱。在研究彈性應(yīng)力對MBN信號影響的過程中，發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)變（以拉應(yīng)變?yōu)檎?，壓?yīng)變?yōu)樨摚┑脑黾?，磁化率增加，?dǎo)致MBN信號強度線性地增加。依據(jù)時域特征值和力學性能之間的標定曲線，可以實現(xiàn)各個力學性能的定量在線檢測。
　　在時域分析的基礎(chǔ)上，使用基于AR模型的超分辨率譜分析方法，對MBN信號進行了離線的處理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著硬度的逐漸減小，信號中的低頻（15kHz以下）成分逐

5、漸增強，而高頻（15kHz以上）成分則逐漸減弱。彈性拉應(yīng)力會導(dǎo)致低頻成分增強，而高頻的成分逐漸降低。這一方法極大地提高了MBN信號中的信息量，結(jié)合基于 Gabor變換的信號重構(gòu)方法，則可以將具有相同信息的信號成分進行重組，建立起多個信號成分和多種力學參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。
　　為了從微觀角度對MBN信號的宏觀特征進行解釋，本文采用Ising模型進行建模，使用Monte Carlo方法對磁化過程進行求解，模擬得到無量綱的MBN信號。數(shù)

6、值模擬結(jié)果表明，隨著應(yīng)力的增加，MBN信號逐漸增強。同時還研究了釘扎對MBN信號的影響，發(fā)現(xiàn)模型格子中有釘扎時MBN信號比無釘扎時的信號強度弱。模擬的結(jié)果與實驗結(jié)果吻合，從而提供了從微觀角度研究MBN的數(shù)值方法。
　　最后闡述了基于MBN的零件力學性能檢測方法。通過實驗數(shù)據(jù)標定和預(yù)測模型的設(shè)計，可以實現(xiàn)多種力學性能的實時在線檢測。應(yīng)用研究開發(fā)的MBN檢測系統(tǒng)，對高強鋼板熱成形零件的硬度進行快速無損檢測，結(jié)果顯示該系統(tǒng)完全滿足工業(yè)應(yīng)