一种基于FLAPW算法的磁记忆信号特征研究方法技术

一种基于FLAPW算法的磁记忆信号特征研究方法属于铁磁性材料的磁记忆信号检测技术领域，尤其涉及一种基于FLAPW算法的磁记忆信号特征研究方法。本发明专利技术提供一种基于FLAPW算法的磁记忆信号特征研究方法。本发明专利技术包括以下步骤：步骤1）：建立磁力学模型；步骤2）：FLAPW全势线性缀加平面波法的使用。

A method for studying the characteristics of magnetic memory signals based on FLAPW algorithm

A research method of magnetic memory signal characteristics based on FLAPW algorithm belongs to the field of magnetic memory signal detection in ferromagnetic materials, especially a research method based on FLAPW algorithm for magnetic memory signal characteristics. The invention provides a method for studying the characteristics of magnetic memory signals based on the FLAPW algorithm. The invention comprises the following steps: Step 1): establishing a magnetic model; step 2): the application of the FLAPW full potential linear augmented plane wave method.

【技术实现步骤摘要】
一种基于FLAPW算法的磁记忆信号特征研究方法
本专利技术属于铁磁性材料的磁记忆信号检测
，尤其涉及一种基于FLAPW算法的磁记忆信号特征研究方法。
技术介绍
管道运输是国际油气运输主要方式之一，具有运量大、不受气候和地面其他因素限制、可连续作业以及成本低等优点。油气长输管道的安全维护是管道运营的核心问题。从近年来管道事故的分析来看，新建管道事故频发，此时没有完全形成管体的宏观缺陷。常规的无损检测技术如磁粉、漏磁、涡流和渗透等，在管道的缺陷监测、事故预防等方面发挥了重要的作用，但只能发现已成形的宏观体积缺陷，无法对因施工、焊接、地基沉降、介质内压、热膨胀等因素造成的尚未成形体积缺陷的应力集中区域实施有效的评价，从而无法避免由于应力损伤而引发的突发性事故。应力集中是油气长输管道发生突发性事故的重要原因；尤其是新建管道在制管和施工过程中存在大量应力集中区域，有些应力集中区域已经达到临界屈服点，导致管道投产后突发性事故的发生。磁记忆法可以有效判断铁磁性金属构件的应力集中区域，但是牛顿力学和麦克斯韦方程都没有关于力磁耦合的详细阐述，磁记忆信号的力磁耦合机理尚无统一定论，针对磁记忆信号的算法也是该领域的瓶颈问题。
技术实现思路
本专利技术就是针对上述问题，提供一种基于FLAPW算法的磁记忆信号特征研究方法。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案，本专利技术包括以下步骤：步骤1)：建立磁力学模型铁磁性构件在外力作用下达到屈服极限的过程是电子壳层从未被充满到一半到电子壳层充满过一半的过程，该过程中总动量矩量子数表示为：其中，J为总动量矩量子数，L为轨道总动量矩，S为总自旋矩，n为电子数，N为总粒子数；由式(1)可知电荷密度分布能表征总动量矩的变化；根据铁磁物体的回转磁效应，物体的总磁矩和总动量矩有以下关系：其中，M为材料的磁化强度，g为回转磁比率为常数，e＝4.8025×10-10C.G.S.静电单位，m＝9.1066×10-28克，为电子的静止质量，c＝3×1010厘米/秒，为光速；由式(2)得出，构件的总动量矩与总磁矩成正比关系；铁磁性材料的磁性由地磁场磁记忆信号以及材料自身的磁性组成，即：其中，B0＝μ0H表示地磁场磁记忆信号强度，B1＝μ0M表示材料本身磁记忆信号强度，μ0表示真空磁导率，H为磁场强度，M为材料的磁化强度；将式(2)代入式(3)，铁磁性材料的磁记忆信号表示为：结合公式(3)～(4)，总动量矩与原子磁矩的关系表示为：由公式(4)～(5)得出，总动量矩、原子磁矩与磁记忆信号的相关性；研究电荷密度、总动量矩与磁记忆信号的关系，进而研究外力作用下的磁力学关系，根据Kohn‐Sham方程，在有外力作用的情况下的单电子薛定谔方程为：其中，p是有效玻尔磁子数，反映了电子自旋运动和轨道运动情况，ψ为波函数，E是系统能量函数；Veff为外力有效势，式(6)表征总动量矩外场作用势的对应关系；式(6)中的外力有效势Veff(r)表示为：其中，V(r)为外场作用势、Vc(r)为库伦势和交换关联势Vxc(r)，Exc[ρ(r)]表示交换关联能，电子密度分布函数ρ(r)，r表示电子坐标；式(7)可表征电荷密度与外力作用的直接联系；由公式(4)～(7)得出，在外力作用下，随着应力增加，电子壳层充满程度影响材料电荷密度分布，引起总动量矩和原子磁矩的变化，导致系统磁特性发生改变；通过构造波函数ψ，求解式(6)中的电荷密度分布以及原子磁矩的变化，研究铁磁性材料在外力场作用下的磁力学特性；步骤2)：FLAPW全势线性缀加平面波法的使用线性缀加平面波基函数表示为：在线性缀加平面波法的中公式(8)的波函数基础上，在处理外力势和电荷密度时，改进对势的形状的限制，在间隙区域添加修正项即：其中，MT表示球内区域，i表示球外区域，通过式(9)构造哈密顿矩阵和交叠矩阵，再代入公式(6)求解波函数，得到不同总动量矩J下的波函数ψ，即：其中，ci为展开系数，通过Rayleigh‐Ritz变分原理得到，即由ψV(k,r)组成的泛函取驻值的条件，得到n个方程：通过式(10)的波函数分别构造球内区域和球外区域的电荷密度，不同总动量矩J下不同的电荷密度分别为：其中，ρ(r)为电荷密度；∫BZ为在第一布里渊区的积分；通过式(12)求解电荷密度后，代入式(6)中求解总动量矩J，研究原子磁矩变化，进而研究铁磁性材料在外力场作用下的磁力学特性。作为一种优选方案，本专利技术还包括用于验证算法的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，具体步骤如下：通过式(12)求解电荷密度后，代入式(6)中求解总动量矩，从而求出式(7)中的外力势Veff，该过程中，电荷密度表征磁学特性，外力势Veff表征力学特性，将磁力学特性关联在一起，建立磁力学模型；X80钢中的Fe为主要成分，掺杂原子C占0.06％，Si占0.28％，Mn占1.83％，P占0.01％，模型中各元素按照上述X80钢的元素配比设置(元素配比设置即上述的各原子含量)；利用基于密度泛函理论的量子力学模块CASTEP晶体库建立模型。作为另一种优选方案，本专利技术所述利用基于密度泛函理论的量子力学模块CASTEP晶体库建立模型的建模方式为：在独立晶胞的a、b、c三个基矢方向分别进行扩展得到3×6×12超原胞结构。作为另一种优选方案，本专利技术所述仿真建模部分在仿真计算过程中，将布里渊区采样点k取6×3×2，平面波截止能取330eV，原子结合能的设定在0.01eV内，不同轨道电子之间的交换关联能采用广义梯度近似(generalizedgradientapproximation，GGA)函数处理电子之间的交换关联能。作为另一种优选方案，本专利技术还包括验证模型准确性的计算电荷密度及原子磁矩部分，计算电荷密度及原子磁矩部分包括以下步骤：(1)电荷密度计算在所述利用基于密度泛函理论的量子力学模块CASTEP晶体库建立模型的模型上的z轴方向施加变化的压力，计算电子壳层中的电荷密度；观察电荷分布随应力变化图谱，通过电荷密度、总动量矩量子数和原子总磁矩的变化判断磁记忆信号的变化；(2)原子磁矩计算计算原子磁矩，观察应力与原子磁矩关系图，判断磁记忆信号的变化情况。作为一种优选方案，本专利技术所述模型上的z轴方向施加变化的压力为高强度的从0GPa至40GPa的应力，间隔为10GPa。作为另一种优选方案，本专利技术所述观察电荷分布随应力变化图谱过程中，首先查看应力从0GPa到10GPa时，电荷分布的变化情况，并通过电荷密度、总动量矩量子数和原子总磁矩的变化判断磁记忆信号的变化；然后，查看应力从10GPa到40GPa时，电荷分布的变化情况，并通过电荷密度、总动量矩量子数和原子总磁矩的变化判断磁记忆信号的变化。作为另一种优选方案，本专利技术所述原子磁矩和电荷密度计算通过MatStudio(全称MaterialStudio)软件计算。作为另一种优选方案，本专利技术还包括验证铁磁性金属构件的磁记忆信号变化规律的实验，该实验采用X80型材料制成的长方形板状试样、万能试验机、磁记忆信号检测设备和引伸计；首先将试样与万能试验机的施力输出端相连，将引伸计和磁记忆信号检测设备的检测探头与试样相连；引伸计的检测信号输出端口与万能试验机配套计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FLAPW算法的磁记忆信号特征研究方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1)：建立磁力学模型铁磁性构件在外力作用下达到屈服极限的过程是电子壳层从未被充满到一半到电子壳层充满过一半的过程，该过程中总动量矩量子数表示为：

【技术特征摘要】
1.一种基于FLAPW算法的磁记忆信号特征研究方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1)：建立磁力学模型铁磁性构件在外力作用下达到屈服极限的过程是电子壳层从未被充满到一半到电子壳层充满过一半的过程，该过程中总动量矩量子数表示为：其中，J为总动量矩量子数，L为轨道总动量矩，S为总自旋矩，n为电子数，N为总粒子数；由式(1)可知电荷密度分布能表征总动量矩的变化；根据铁磁物体的回转磁效应，物体的总磁矩和总动量矩有以下关系：其中，M为材料的磁化强度，g为回转磁比率为常数，e＝4.8025×10-10C.G.S.静电单位，m＝9.1066×10-28克，为电子的静止质量，c＝3×1010厘米/秒，为光速；由式(2)得出，构件的总动量矩与总磁矩成正比关系；铁磁性材料的磁性由地磁场磁记忆信号以及材料自身的磁性组成，即：其中，B0＝μ0H表示地磁场磁记忆信号强度，B1＝μ0M表示材料本身磁记忆信号强度，μ0表示真空磁导率，H为磁场强度，M为材料的磁化强度；将式(2)代入式(3)，铁磁性材料的磁记忆信号表示为：结合公式(3)～(4)，总动量矩与原子磁矩的关系表示为：由公式(4)～(5)得出，总动量矩、原子磁矩与磁记忆信号的相关性；研究电荷密度、总动量矩与磁记忆信号的关系，进而研究外力作用下的磁力学关系，根据Kohn‐Sham方程，在有外力作用的情况下的单电子薛定谔方程为：其中，p是有效玻尔磁子数，反映了电子自旋运动和轨道运动情况，ψ为波函数，E是系统能量函数；Veff为外力有...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘斌，何璐瑶，任建，
申请(专利权)人：沈阳工业大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21