空间杆系钢结构全磁通无损检测理论和应用方法研究

针对大型空间网架、网壳结构及输电塔等空间杆系钢结构实时受力状态与损伤的主要特点，以钢材受力、损伤或材性改变后其内部微细观组织结构变化所导致的磁特性变化的一般规律为基础，采用现代微细观电磁力学、连续介质热力学与实验力学方法，考虑结构类型和构件截面形状等主要影响因素，通过理论分析、模型试验和工程结构现场测试对比，研究不同建筑钢材的实时内力分布及损伤等与其磁特性变化的一般规律，探讨相应的基于磁力效应的全磁通应力无损检测机理和评价方法，提出以测试钢材全磁通变化为基础的磁感应无损检测理论和应用技术，建立相应的电磁力学分析和计算模型；同时研究全磁通应力检测系统的工作原理、优化设计与构造方法以及复合感应传感技术，研发相应的磁性无损检测系统。项目的研究成果不仅具有重要的理论意义，而且也将深化空间杆系钢结构的无损检测理论和健康评价方法。

本项目针对大型空间杆系钢结构实时受力状态与损伤的主要特点，以钢材受力、损伤或材性改变后其内部微细观组织结构变化所导致的磁特性变化的一般规律为基础，通过理论分析和模型试验研究了空间杆系钢结构全磁通无损检测理论和应用方法，进行了18组两种截面形式、三种建筑钢材制作的模型试件磁力耦合加载加磁试验，进行了静动态磁场作用下和疲劳应力作用下的全磁通特性试验，研究了静动态磁场及应力等因素对钢构件全磁通大小及其传感频率的影响规律，得出了不同磁场和受力状态下的磁滞回曲线与矫顽场等特征曲线，探讨了磁滞回曲线的变化规律和主要影响因素，建立了磁化强度与外加应力之间的相关关系，确定了磁化强度应力敏感区的最优磁场强度范围；基于热力学定理，建立了铁磁材料的磁力耦合本构方程，得出了相应的磁通量增量与应力增量之间的关系；研究了以测试空间杆系钢结构应力及损伤为主要功能的全磁通感应式无损检测系统的设计理论和方法，研究了全磁通应力检测系统的工作原理、优化设计与构造方法以及复合感应传感技术，研发了相应的磁性无损检测系统，解决了研制和应用中的关键理论与技术问题；以磁偶极子理论模型为漏磁通检测的理论基础，研究了基于解析法的磁偶极子缺陷理论模型，并研究了同类型的缺陷、不同几何形状和不同尺寸对漏磁通分布的影响规律，采用基于人工神经网络和数据融合技术实现了对缺陷形状变化具有适应性的缺陷几何参数的反演。研究成果具有重要的理论意义和工程应用价值，为空间杆系钢结构的无损检测理论和健康评价提供了依据。