超聲TOFD檢測的有限元分析及其試驗驗證?

陳振華?　王 燕謝長鴻

（1南昌航空大學(xué)無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室　南昌　330063）

（2昌河飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)公司　景德鎮(zhèn)　333002）

超聲TOFD檢測的有限元分析及其試驗驗證?

陳振華1?王 燕2謝長鴻1

（1南昌航空大學(xué)無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室南昌330063）

（2昌河飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)公司景德鎮(zhèn)333002）

超聲衍射時差法（Ultrasonic TOFD）通過接收衍射波信號對缺陷進(jìn)行測深定高，分析超聲波在檢測對象中的傳播對于提高檢測效力具有重要作用。本研究采用有限元方法模擬超聲TOFD檢測過程，探討了缺陷衍射波的產(chǎn)生及傳播特性，并通過試驗對模型結(jié)果進(jìn)行了驗證。研究表明：有限元建模能夠直觀顯示超聲TOFD檢測的聲波傳播過程，模擬結(jié)果與試驗具有較好的一致性；實際檢測過程中涉及的要素，如：探頭優(yōu)化布置、衍射波傳播方式、幅度分布、缺陷端部形狀對衍射過程的影響均能較好地體現(xiàn)在仿真模型中；超聲TOFD檢測的有限元模型可實現(xiàn)檢測過程可視化，并可為工程檢測人員提供一種新的檢測方案設(shè)計和結(jié)果分析的手段。

衍射時差法，有限元，缺陷端，波形傳播

1　引言

超聲衍射時差法（TOFD）具有定位定量精度高、檢測信息豐富、可靠性高、檢測速度快、檢測能力強(qiáng)等優(yōu)點，是最重要的焊縫無損檢測方法之一［1-3］。TOFD檢測原理基于經(jīng)典聲學(xué)理論，即：缺陷尖端遭遇入射聲波時發(fā)生聲波散射并相互疊加產(chǎn)生干涉形成衍射波，通過衍射波信號進(jìn)行缺陷的測深定高。然而，較之基本原理，工程檢測過程卻復(fù)雜得多；其涉及到檢測探頭布置、缺陷對入射聲波的響應(yīng)、衍射波傳播方式、聲波幅度分布、衍射波信號接收及分析等諸多問題。因此，通過解析法正演具體檢測對象的超聲TOFD檢測過程，將涉及到復(fù)雜的建模和計算［4］。

有限單元法的單元種類豐富、劃分非常靈活，可逼進(jìn)和處理任何復(fù)雜的邊界和內(nèi)部交界面，適合于超聲檢測過程的仿真。目前，有限元方法已應(yīng)用于固體中超聲波傳播過程的仿真、導(dǎo)波檢測模擬、超聲換能器的模擬等研究領(lǐng)域［5-7］。關(guān)于超聲TOFD檢測過程的有限元仿真的相關(guān)研究并不充分；陳漢新采用有限元方法模擬了橫孔的超聲TOFD檢測，根據(jù)仿真信號辨識含噪聲的檢測信號中缺陷的衍射波特征；A.Ferrand模擬了由不規(guī)則面引起的頭波對超聲TOFD檢測結(jié)果的影響［8-9］。本文采用有限元分析軟件ANSYS二次開發(fā)了超聲TOFD檢測的有限元模型并對仿真結(jié)果進(jìn)行了試驗驗證，對檢測中的聲波傳播過程進(jìn)行了較為全面的分析。鑒于TOFD檢測不以衍射波幅度為缺陷判據(jù)，幅度分析常常被忽視；然而，幅度過低必然造成起波位置及其相位判斷困難、成像模糊、易受干擾等不利影響［10-11］。因此，本文在有限元模型的后處理過程中，重點分析了衍射波幅度在檢測對象中的分布及其影響因素，就探頭布置、衍射波產(chǎn)生及傳播方式、聲場幅度分布、缺陷的尖端影響進(jìn)行討論。結(jié)果表明：有限元模型能夠直觀展現(xiàn)超聲TOFD檢測的聲波傳播過程，TOFD檢測特點均能較好地體現(xiàn)在模型中；模擬結(jié)果與試驗具有較好的一致性，可用于解決超聲TOFD檢測的正演問題、實現(xiàn)了檢測過程可視化；有望對構(gòu)件的可檢性預(yù)測、檢測方案的制定及檢測結(jié)果分析提供理論指導(dǎo)。

2　有限元建模

與常規(guī)超聲TOFD檢測方法相比，超聲TOFD檢測優(yōu)勢主要體現(xiàn)在對各類裂紋的測深定高。鑒于超聲TOFD檢測的工藝設(shè)計中常采用窄槽模擬裂紋，本文基于通用有限元分析軟件ANSYS二次開發(fā)槽型缺陷的超聲TOFD檢測模型。

有限元模型由探頭和鋁制試塊構(gòu)成，試塊中含開口帶尖端的槽型缺陷，試塊尺寸40 mm×20 mm、槽寬1 mm；探頭中激勵信號作用區(qū)域長度為4 mm（用于模擬晶片尺寸），模擬的聲波入射角為60°；試塊周圍添加吸收邊界以減小邊界反射波的干擾。有限元模型的網(wǎng)格劃分直接影響有限元計算精度，單元類型均為SHELL63、網(wǎng)格形狀為四邊形；按各區(qū)域?qū)β暡▊鞑サ挠绊懗潭却_定網(wǎng)格尺寸：窄槽周圍和探頭是模擬的重點區(qū)域，單元尺寸設(shè)為0.1 mm、試塊的最下端對衍射波傳播幾乎無影響，該位置的單元格為0.2 mm、其它區(qū)域單元格尺寸為0.15 mm；在劃分網(wǎng)格前對槽端附近區(qū)域做了切割處理以保持較為均勻的網(wǎng)格分布，試塊尺寸及網(wǎng)格劃分如圖1（a）所示。激勵信號為1周期經(jīng)漢寧窗調(diào)制的中心頻率2.5 MHz正弦信號，將其加載到模擬斜探頭上激發(fā)超聲波以斜入射至檢測對象，圖1（b）是激勵信號。模型中最大的單元格尺寸0.2 mm約為波長的十分之一，滿足有限元模型對單元尺寸的要求［12］。

圖1　網(wǎng)格劃分和激勵信號Fig.1 Meshing method and pumping signal

3　數(shù)據(jù)分析及其試驗驗證

3.1超聲TOFD檢測過程的有限元分析

圖2所示的模型線型圖明確了模型結(jié)構(gòu)及其有限元計算后處理的取值方式。聲束入射角β、窄槽端角α、窄槽深度l、聲束主軸離窄槽端角的距離d。有限元分析后處理設(shè)置了取值點和取值面；取值點2和取值點1分別為窄槽左右距離槽尖端橫向2 mm、縱向0.6 mm的節(jié)點；取值面（衍射波信號接收面）設(shè)置在窄槽右側(cè)近表面區(qū)域。為了獲得取值面上的聲壓分布，在取值面上距離窄槽右側(cè)每隔1 mm取衍射波信號。

圖2　有限元模型的取值位置（mm）Fig.2 FEM modal and sampling position（mm）

圖3顯示聲束入射角β=60°、槽深l=4 mm、窄槽端角α=60°的有限元模擬結(jié)果。圖3（a）的波場快照顯示：聲束斜入射到窄槽后，除部分聲波被窄槽左側(cè)反射外，右側(cè)端部附近出現(xiàn)明顯衍射波。圖3（b）是在取值點2的節(jié)點處提取的入射波信號；圖3（c）是取值點1及取值面上最大幅度的衍射波信號，衍射波與入射波具有相同的相位。聲波斜入射到取值點2的幅度降低到激勵幅度的91%顯示入射聲束擴(kuò)散及探頭內(nèi)部反射引起較小的幅度衰減；而入射波到達(dá)窄槽尖端后形成的衍射波幅度（取值點1）只有取值點2入射波幅度的29%，入射波轉(zhuǎn)化為尖端衍射波的能量較低；衍射波傳播至取值面取得的最大幅度信號降低到尖端衍射信號（取值點1）的47%（激勵信號幅度的12%）；此模擬結(jié)果表明尖端衍射波的輻射面較小，衍射波傳播類似于點波源的球面波輻射，輻射衰減較大。在模型的取值面上距槽右側(cè)每間隔1 mm提取缺陷衍射波信號，分析接收面上的衍射波幅度分布，如圖3（d）所示。結(jié)果顯示，窄槽端角α=20°及140°時，在檢測面距離窄槽右側(cè)2 mm～20 mm的范圍內(nèi)均有較高幅度分布且幅度下降部分比幅度上升部分更平緩，此現(xiàn)象符合小尖端輻射面的大聲束擴(kuò)散角輻射特征。

圖3　有限元模擬結(jié)果Fig.3 Results of FEM simulation

有限元模型較為準(zhǔn)確的展現(xiàn)了超聲TOFD檢測的聲波傳播過程：（1）衍射波的轉(zhuǎn)化率較低、擴(kuò)散衰減較大，實際檢測中需用能量較高的方波及較大的增益激勵檢測信號；（2）衍射波的指向性較差，使得接收面上相當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)均可接收到缺陷的衍射波信號，對于提高檢測范圍、防止漏檢具有重要作用；（3）槽端的衍射波相位與入射波相位一致，符合超聲TOFD檢測原理。

3.2探頭位置的優(yōu)化

缺陷衍射波傳播的幅度較低、方向性較差；優(yōu)化探頭布置盡可能的獲得較高的衍射波幅度對于提高檢測靈敏度是非常必要的。通過有限元模型討論最佳探頭布置，模型槽深l=4.5 mm、模擬過程中前后移動發(fā)射探頭，每移動1 mm即在取值點1提取衍射波信號，獲得衍射波幅度隨探頭位置的變化，如圖4所示。當(dāng)探頭入射點與缺陷水平距離為6.3 mm時獲得最強(qiáng)衍射波；經(jīng)計算，聲束主軸在離窄槽尖端上方約0.86 mm處（d=-0.86 mm）。該結(jié)果顯示，調(diào)整探頭位置使得聲束主軸位于窄槽端部上方而非與主軸重合時，可獲得最強(qiáng)的缺陷衍射波。

圖4　衍射波幅值隨發(fā)射探頭入射點位置的變化Fig.4 Amplitude of diffraction wave varied with transducer’s position

試驗對上述結(jié)果進(jìn)行了驗證，分別在鋁合金試樣板上制備2個深度l分別為8 mm的淺槽和20 mm的深槽，寬度1 mm的窄槽；采用實測入射角為63.5°和74.0°的兩對探頭進(jìn)行試驗。試驗中，每對探頭均以窄槽為中心對稱放置，改變探頭入射波間距PCS獲得最大衍射波，計算此時聲束主軸與窄槽端的相對位置d，試驗方法參見圖2。

其中：PCS為探頭聲束入射點間距，β為實測入射角，l為窄槽深度。

表1顯示窄槽尖端位于主軸附近偏下方區(qū)域時出現(xiàn)衍射波最大幅值，與有限元模擬結(jié)果一致。

表1　衍射波幅度最大時槽端部相對于聲束主軸的距離dTable 1 Experimental value of d when receiving the maximum amplitude of diffraction wave

從理論上也可對此現(xiàn)象進(jìn)行解釋，如圖5所示。探頭在位置1時，設(shè)聲束下半束覆蓋窄槽AB端形成衍射波；隨著探頭遠(yuǎn)離窄槽左移到位置2時，聲束上半束逐漸覆蓋AB端，聲程逐漸增大，此時的AB處的入射聲壓由于擴(kuò)散衰減比在位置1時??；AB部分被聲束主軸下半束覆蓋時的聲壓大于聲束主軸上半束覆蓋時的聲壓，因此窄槽端部AB位于聲束主軸附近以下區(qū)域時獲得最大衍射波。超聲TOFD檢測的探頭晶片尺寸較小，聲束擴(kuò)散較大；因此，在TOFD檢測過程中應(yīng)著重考慮聲束擴(kuò)散對檢測結(jié)果的影響。

圖5　聲束覆蓋示意圖Fig.5 Coverage of ultrasonic beam

3.3缺陷端角的影響

在超聲TOFD檢測中可能遭遇各類缺陷，如裂紋、氣孔、夾雜；因此，各類缺陷對衍射波的響應(yīng)是需要關(guān)注的問題。缺陷的端部特點主要表現(xiàn)在端部形狀各不相同，例如：裂紋端通常較為尖銳，而氣孔端較為平滑。本研究通過改變端角簡單模擬各類缺陷：較小的窄槽端角表示尖銳裂紋、較大窄槽端角可近似為具有弧形邊緣的氣孔或夾雜。有限元模型中的窄槽深l=4 mm、寬1 mm，端角α變化范圍：10°～150°。為了可與試驗進(jìn)行對比，在模型的取值面上提取最大的衍射波幅值。圖6顯示最大衍射波幅度隨窄槽角度的變化，幅度隨角度變化無嚴(yán)格的單調(diào)關(guān)系，但小角度（20°～40°）的尖端衍射普遍大于大角度（80°～160°）的尖端衍射。

在鋁合金試樣上加工四個深15 mm、長50 mm、寬1 mm的窄槽；端角分別為20°、30°、140°、160°。采用常規(guī)超聲TOFD的探頭布置方式，調(diào)整兩探頭間距獲得最大衍射波，此時固定發(fā)射探頭位置且將接收探頭位置記為0 mm；前后移動接收探頭（接近槽為負(fù)、反之為正），每隔1 mm記錄衍射波幅度，獲得各槽端衍射波幅度在接收面上的分布。圖7顯示試驗提取的各端角下衍射波幅度在取值面上的分布與有限元模擬的結(jié)果（圖3（d））一致。由于尖端衍射面較小，衍射波在幅度指向性差，衍射波在取值面上具有寬的幅度分布；隨著衍射波聲程的增大，幅度在波陣面上趨于均勻、幅度隨聲程增大而減小的趨勢逐漸放緩，在模型及試驗中均表現(xiàn)為衍射波幅度分布中的下降部分比上升部分更平緩（參見圖3（d）的模擬結(jié)果和圖7的試驗結(jié)果）。此外，從圖7中顯示的端角對衍射波分布的影響看，小角度衍射波（20°～30°）幅度比大角度（140°、160°）衍射波幅度大，該結(jié)論也與圖6的有限元模擬的結(jié)果一致。

衍射波的擴(kuò)散性導(dǎo)致衍射波能量降低的同時，也給信號處理提供了機(jī)遇，對噪聲大的材料進(jìn)行檢測時，可基于此特性在不同的位置取多個衍射波信號，采用合成孔徑聚焦法進(jìn)行處理能夠去除部分噪聲；此外，衍射波傳播的擴(kuò)散特征對于增大檢測區(qū)域也是有利的，可防止內(nèi)部缺陷的漏檢。較小角度的尖端反而具有較高的衍射波能量、更容易被檢出，這說明超聲TOFD技術(shù)適合于檢測尖銳的裂紋類缺陷，這是TOFD法相對于常規(guī)超聲檢測的重要優(yōu)勢。通過有限元模型能夠直觀體現(xiàn)超聲TOFD檢測的特征。

圖6　衍射波幅度隨窄槽端角的變化Fig.6 Amplitude of diffraction wave varied with tip angle of narrow slot

圖7　各端角窄槽衍射波在接收面上的幅度分布Fig.7 Amplitude distribution of diffraction wave on sampling face from different tip angle

4　結(jié)論

通過有限元建模實現(xiàn)了對超聲TOFD檢測過程正演及聲波傳播過程的可視化，并可為工程檢測人員提供一種輔助檢測方案設(shè)計和檢測結(jié)果分析的新手段。

（1）采用有限元方法模擬了TOFD檢測中典型人工缺陷（窄槽）產(chǎn)生最大衍射波的聲場條件。受聲束擴(kuò)散衰減的影響，槽端位于主軸附近的下半束區(qū)域而非與主軸相交時可獲得最大衍射波；實際檢測在調(diào)整探頭間距時應(yīng)考慮這一特點。

（2）模擬結(jié)果直觀的顯示尖端衍射波傳播方式。較之晶片發(fā)出的指向性較好的入射聲束；衍射波從小尺寸尖端向外輻射、具有更大的擴(kuò)散角，在波場快照中顯示為類似于球面波的傳播方式，這是衍射波幅度在接收面上大范圍分布的原因；模擬結(jié)果及試驗均顯示在接收面的較大范圍內(nèi)均能接收到幅度相差不大的衍射波能量。

（3）尖端形狀對衍射波幅度有一定影響；盡管沒有隨角度變化的單調(diào)規(guī)律，但模擬結(jié)果和試驗均顯示小角度端部的衍射更為強(qiáng)烈，這也是TOFD方法適用于裂紋缺陷的依據(jù)。

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Finite element analysis and experimental verification for ultrasonic time-of-flight diffraction testing

CHEN Zhenhua1WANG Yan2XIE Changhong1
（1 Key Laboratory of Nondestructive Testing of Ministry of Education，Nanchang Hangkong University
Nanchang 330063，China）
（2 Changhe aircraft industry Co.Ltd，Jingdezhen 333002，China）

Ultrasonic time-of-flight diffraction testing（Ultrasonic TOFD）is used for testing defects through receiving the signal of diffraction wave，so analyzing of diffraction wave propagation in testing subject is beneficial for enhancing testing capability.In the paper，the finite element method（FEM）is adopted to simulate the course of ultrasonic TOFD testing，and the simulation results are demonstrated by experiments. The research results indicate that the characteristics of wave propagation which present in the FEM modal are concordance with the practical situation，and the key factors such as probe arrangement，wave transmission，amplitude distribution，and influence of defect's tip shape are included in the model.After all，the visualization of ultrasonic-TOFD course is implemented by FEM，which can play an important role in real testing course for testing method optimization and result explanation.

Ultrasonic TOFD，F(xiàn)inite element method，Defect tip，Wave propagation

TG156

A

1000-310X（2015）03-0272-06

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.03.014

2014-07-22收稿；2014-11-20定稿

?國家自然科學(xué)基金項目（11104129），無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室開放基金資助項目（ZD201029001）

陳振華（1982-），男，江西余干人，博士，講師，研究方向：超聲無損檢測技術(shù)及其系統(tǒng)。

E-mail：zhenhuachen@yeah.net，