基于ANSYS 的金屬聲場仿真及缺陷識別方法研究*

高 捷，陳友興，王召巴

(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051)

眾所周知，在國防軍工、航空航天、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域，金屬柱狀物體的應(yīng)用一直很廣泛，例如兵器中的彈體、汽車的零部件等。然而，在這些柱狀物體的生產(chǎn)過程中，往往由于溫度的瞬時變化、介質(zhì)與模具的摩擦等原因，造成物體內(nèi)部或表面產(chǎn)生不同程度的缺陷，這些缺陷常常會降低產(chǎn)品的使用效果，或在使用過程中受到各種外在因素的影響而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷損傷程度積累問題，引起重大的安全隱患。因而，在生產(chǎn)過程以及使用過程中，對產(chǎn)品進(jìn)行無損檢測具有十分重大的意義。

超聲檢測是目前應(yīng)用最廣的一種缺陷檢測技術(shù)，由于超聲波的穿透能力強、靈敏度高，且對人體無害，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)及高技術(shù)產(chǎn)業(yè)中。超聲波的特點是傳播能量大、方向性好，而且在介質(zhì)內(nèi)傳播過程中遇到缺陷時會產(chǎn)生界面反射或者引起聲速和能量衰減的變化，利用這一特性就可以達(dá)到檢測缺陷的目的［1］。

超聲波傳播理論復(fù)雜，傳播過程抽象，況且隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，定性檢測已不能滿足實踐的要求，需要定量地確定缺陷的幾何特征(形狀、尺寸和取向)和材料性能，這使得超聲波檢測人員對于儀器顯示的波形數(shù)據(jù)正確解釋需要豐富的經(jīng)驗，導(dǎo)致檢測結(jié)果會有一定的主觀性。在平時的檢測中，就需要制作大量的對比試件進(jìn)行模擬檢測，分析波形，用實際檢測波形與之對比，由此來提供檢測結(jié)果評判的準(zhǔn)確率。但是試件制作費時費力，而且試件的存儲也比較麻煩。為了研究超聲波傳播理論，更好地利用超聲波進(jìn)行檢測，并且避免以上問題，通過引入有限元分析軟件直觀的反應(yīng)波的傳播過程和聲場特性，為缺陷評判提供理論數(shù)據(jù)和模型參考，提高缺陷檢測的準(zhǔn)確性。

本文同時采用有限元和實驗兩種手段對均勻介質(zhì)中的缺陷檢測進(jìn)行研究。

1 超聲檢測方法

主要研究的對象為圓柱體，如圖1 所示檢測示意圖。當(dāng)檢測無缺陷圓柱體時，如圖1(a)所示，從探頭發(fā)射出的超聲脈沖波可以直接到達(dá)試件的底部，不會發(fā)生反射、折射現(xiàn)象。當(dāng)檢測有缺陷圓柱體時，超聲波當(dāng)沒有遇到缺陷時，是以常速度沿著固定的路線不受干擾地向前傳播的，但當(dāng)遇到缺陷時，波與它的原來路徑發(fā)生了偏離，產(chǎn)生折射、反射現(xiàn)象，因此，可以從中提取出缺陷特征回波信號，如圖1(b)所示。

圖1 圓柱體水浸檢測示意圖

2 研究對象以及實驗對象

實驗選用兩個高為200 mm、底面半徑為50 mm 的鋁合金圓柱體試件作為研究對象，其中一個在構(gòu)件底面的中心位置含有半徑為5 mm 的圓柱形空穴缺陷，如圖2(a)所示;另一個在底面的中心有一條光滑的長為100 mm，寬5 mm 的凹槽，如圖2(b)所示。

圖2 實驗試件

使用圖1 所示的超聲檢測方法，利用圖2(c)所示的實驗系統(tǒng)對圖2(a)(b)的兩個試件分別進(jìn)行了超聲信號采集，得到了兩個試件的時域波形，從時域波形中讀出始波與缺陷回波的時間差，依據(jù)公式2l=t ×v(l 為超聲波傳播的距離，t為探頭接收到反射回波的時間，v 為超聲波傳播的速度)計算得到構(gòu)件下表面與缺陷之間的距離，就可以得出缺陷的位置。對兩個試件缺陷回波信號進(jìn)行傅里葉變換，得到其頻域變化情況。其中，圓形缺陷、槽形缺陷的時域波形和其頻域變化情況如圖3 所示。

圖3 實驗試件超聲回波時域圖、頻譜圖

3 有限元模擬仿真結(jié)果

被檢工件為鋁，密度為2 700 kg/m3，彈性模量為70 GPa，泊松比為0.33，截面半徑為50 mm，圓孔缺陷半徑為5 mm，缺陷的截面模型如圖4(a)所示。為獲取比較細(xì)膩的波的傳播圖像，需對模型劃分很細(xì)的網(wǎng)格。在波的傳播計算中，單元在每個步長計算時沿波傳播方向的長度應(yīng)小于波長。根據(jù)參考文獻(xiàn)［8］，選取單元尺寸小于激勵頻率下最短波長的十分之一。如果單元尺寸大于波長的十分之一，誤差將迅速增大。但如果單元尺寸選得太小，對于同樣面積的模型，單元數(shù)量將以尺寸縮小程度2 次冪的速度增長，且時間步長更小，因此計算的成本將迅速增大。同時，當(dāng)單元尺寸小到一定程度時，舍入誤差將隨之增加。因而，在選取單元尺寸時，并非越小越好。所以，本文設(shè)置的單元尺寸是0.1 mm。

圖4 有限元模型及激勵

利用有限元模擬建立的模型參數(shù)與試驗試件一致，也采用縱波垂直入射，其激勵源為漢寧窗調(diào)制的信號，激勵頻率為2.5 MHz，與實驗室探頭發(fā)生的激勵信號一致。激勵波形如圖4(b)所示。

在有限元計算中，從理論上講，時間步長越小，計算結(jié)果越精確，但計算時間也相應(yīng)增長。在本文中，根據(jù)所施加激勵的中心頻率，選用的時間步長為0.1 us。采用有限元的計算，2.5 MHz 的縱波在介質(zhì)鋁中傳播過程的示意圖如圖5所示。

圖5 縱波在介質(zhì)中傳播過程示意圖

從圖5 中可以看出，波在均勻的介質(zhì)鋁中傳播，當(dāng)沒有遇到圓形缺陷時，是以常速度沿著固定的路線不受干擾地向前傳播的，擔(dān)當(dāng)遇到圓形缺孔時，波的傳播路線發(fā)生了變化，即在其他的、未受干擾的入射波的作用下，圓形的孔缺陷起到了一個次生波源的作用，形成了波的散射，而且波與它的原來路徑發(fā)生了偏離，產(chǎn)生了衍射現(xiàn)象。

圖6 有限元仿真時域圖、頻譜圖

圖6(a)(b)所示為圖4(a)有限元模型中A 點的回波信號圖，其中(a)圖為有限元仿真結(jié)果圖，(b)圖為缺陷處回波頻譜圖。對比圖3(a)(b)和圖6(a)(b)，可以發(fā)現(xiàn)，有限元仿真結(jié)果圖與實驗采集的回波信號基本一致，由此可以驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

運用以上同樣的方法，用有限元ANSYS 仿真槽形缺陷試件，得到的時域回波信號以及其缺陷處回波信號的頻譜圖，如圖6(c)(d)所示。

對比圖6 和圖3，我們可以看出仿真結(jié)果和實驗結(jié)果基本一致。對比圖3(b)和圖6(b)，圖3(d)和圖6(d)，我們可以看出，不同缺陷回波信號的頻譜圖是不一樣的，因此，我們可以根據(jù)缺陷處的回波信號及其頻譜圖來判斷試件中缺陷的位置、形狀及大小。

4 結(jié)論

本文通過有限元法和實驗法兩種手段對鋁圓柱體內(nèi)缺陷進(jìn)行檢測，經(jīng)過仿真結(jié)果與實驗結(jié)果的對比，可以驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。對缺陷處回波信號進(jìn)行頻域處理，對比不同缺陷回波信號的頻譜圖，可以看出缺陷的形狀不同，其頻譜圖是可以明顯看出不同的，因此，我們可以根據(jù)缺陷回波信號的頻譜圖，基本確定缺陷的形狀。同時，我們也可以看出，ANSYS 能有效地仿真超聲波的傳播，構(gòu)建超聲場，表現(xiàn)超聲場特性。因此在實際檢測中可以用ANSYS 仿真超聲波傳播，對于開發(fā)研究超聲波檢測新技術(shù)來說，這點尤其重要，一方面通過仿真計算不斷地修正設(shè)計參數(shù)，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計效果;另一方面可以避免大量制作模擬試塊進(jìn)行檢測驗證;同時可以節(jié)約資金及時間，降低開發(fā)成本，提高開發(fā)效率，具有實用意義。

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