[发明专利]基于超软赝势焊缝磁记忆信号特征检测方法

摘要

基于超软赝势焊缝磁记忆信号特征检测方法属于铁磁性材料的磁记忆信号检测技术领域，尤其涉及基于超软赝势焊缝磁记忆信号特征检测方法。本发明提供基于超软赝势焊缝磁记忆信号特征检测方法。本发明包括以下步骤：步骤1）：建立磁力学模型；步骤2）：超软赝势(USPP)平面波算法。还包括验证铁磁性金属母材、焊缝磁记忆信号变化规律的实验部分。

主权项

1.基于超软赝势焊缝磁记忆信号特征检测方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1)：建立磁力学模型在外力作用下，晶体内部能量E可以表示为：E＝T+U+Exc                 (1)其中，T为动能，U为库伦势能，Exc为外力作用下电子之间的交换关联能，包含了所有粒子之间的相互作用。晶体内部的电子动能T和电子势能U是电子密度函数ρ(r)的唯一泛函，则有：其中，η为简约普朗克常量，m为电子质量，e为电子电量，r、r'为不同的电子坐标，▽表示微分算子，Φi(r)表示基态电子波函数，ρ(r)表示电子密度函数。由于金属焊缝区掺杂粒子排列复杂，假设粒子之间的相互作用都并入交换关联能Exc中，系统内的动能和势能不包含粒子之间的相互作用，则有：∫dr'ρxc(r,r')＝‑1                 (5)其中，ρxc(r,r')表示交换关联空穴函数，将式(2)、(3)、(4)带入式(1)可得到：系统能量泛函E[ρ(r)]对电子密度函数变分可以得到单电子态下能量泛函的最佳形式，如式(7)。其中，εi为拉格朗日乘子，Veff(r)为有效势，由晶格周期势V(r)、库仑势Vc(r)和交换关联势Vxc(r)组成，即：其中，e为常数，电子密度函数ρ(r)可由基态电子波函数Φi(r)组成。通过求解式(8)中的基态电子波函数Φi(r)，可得到电子密度分布函数ρ(r)的具体形式，因为电子密度分布函数ρ(r)与系统磁性具有密切联系，将ρ(r)带入式(6)可得到外力作用下系统能量E[ρ(r)]，进而可以研究焊缝高掺杂条件下磁力学关系。步骤2)：超软赝势(USPP)平面波算法当无外力作用时，焊缝区的价态电子与芯态电子在能带结构上是可区分的。当有外力作用时，能带出现交叠，基态电子波函数Φi(r)的求解困难。引入超软赝势，假设固体的磁力学性质主要由费米能级附近的价态电子决定，芯态电子对磁力学特性没有贡献，这样可以求解基态电子波函数Φi(r)。定义超软赝势中非定域赝势算符VNL为：其中，n行m列投影算符β和系数D(0)分别表征赝势和原子种类的差别，指数I对应于一个原子的位置。则系统在外力作用下的交换关联能Exc[ρ(r)]用电子密度可以表示为：其中，Q(r)是严格位于芯区的附加函数。引入哈密顿重叠算符S：其中，系数q是通过对Q(r)积分得到的，超软赝势方程可写为：H|Φi>＝εiS|Φi>     (13)其中，H为哈密顿量代表了动能和定域势能之和，如下所示：其中，局域有效势Veff中包含离子实赝势。构建一个局域波函数，计算变量为：|χn>＝(εn‑T‑Vloc)|φn>     (16)Bnm＝<φn|χm>     (17)qnm＝∫drQnm(r)     (19)其中，χn为局域波函数，Vloc为局域势，Bnm为矩阵内积，ψ表示全电子波函数，φ表示赝波函数。εn为参考能量。采用去屏蔽方法计算其中，为离子实赝势，V_H(r)为Hartree势和V_xc(r)为交换关联势。由式(16)～(20)可确定超软赝势的定域部分(D⁽⁰⁾、β)，通过式(21)、(22)可以得到V_eff，再将V_eff和式(15)代入式(14)得到H，再将H带入式(13)即可求得Φ，将电子波函数Φ带入式(7)可得到电子密度分布函数ρ(r)的具体形式，进而研究铁磁性材料在外力场作用下的磁力学特性。还包括用于验证算法准确性的仿真建模部分，仿真建模部分以实际工程应用中的X80钢为研究对象，建立磁力学模型。X80钢的母材和焊缝的掺杂成分有所不同，主要体现在焊缝所掺杂的Ni，Al元素含量比母材高，而Mn含量低。利用基于密度泛函理论的量子力学模块CASTEP晶体库建立Fe的模型，在独立晶胞的a、b、c三个基矢方向分别进行扩展得到2×2×2超原胞结构。通过调整不同元素的含量来模拟母材和焊缝区域。还包括验证铁磁性金属母材、焊缝磁记忆信号变化规律的实验部分，该实验采用X80型材料制成的长方形板状试样，长度为450±0.5mm，宽度为50±0.5mm，厚度为18.8mm，形状公差为0.2mm；焊缝长度为10±0.5mm，焊缝宽度为1mm，深度为5mm，形状公差为0.2mm。采用SHT4106微机控制电液伺服万能试验机。采用TSC‑3M‑12型磁记忆信号检测设备。试样的长度方向两端分别与万能试验机上下施力输出端相接，具体步骤为：步骤1)：启动万能试验机，进行第一次拉伸，拉至设定力值后停止，拉伸力回复到0MPa；步骤2)：重复步骤1，启动万能试验机，进行第二次拉伸，拉至设定力值后停止，拉伸力回复到0MPa；步骤3)：待万能试验机停止运行后，将试样和磁记忆信号检测设备取下，读取数据，整理曲线，观察应力应变曲线和试样表面磁记忆信号变化曲线。