金屬厚壁結構中深裂紋的重構方法研究*

武美先,張東利

(1.北方民族大學化學與化學工程學院,寧夏 銀川 750021;2.北方民族大學機電工程學院,寧夏 銀川 750021)

金屬厚壁結構中深裂紋的重構方法研究*

武美先1,張東利2*

(1.北方民族大學化學與化學工程學院,寧夏 銀川 750021;2.北方民族大學機電工程學院,寧夏 銀川 750021)

為了提高渦流方法檢測厚壁結構中深裂紋的檢測精度,使用三維渦流程序對渦流信號進行了仿真,通過分析傳感器布置方案對檢測信號及噪聲的影響,提出了基于反面渦流檢測信號的深裂紋重構策略,并開發(fā)了相應的逆問題反演程序,對重構策略的可行性進行了驗證。數(shù)值仿真結果表明,所提出的基于反面渦流檢測信號的深裂紋重構策略,可有效提高厚壁結構中深裂紋的重構精度,并可用于工程實踐。

厚壁結構,深裂紋重構,渦流傳感器,數(shù)值仿真

在核電、石油等重要能源工業(yè)領域,厚壁結構中深裂紋的檢測一直是無損檢測領域中的難點問題。為了保證設備的安全運行,一些關鍵的零部件要求對材料表面和內部全部進行檢測。目前常用的無損檢測方法有超聲、射線、渦流等[1-3]。超聲可用于材料內部的缺陷檢測,但由于要用到耦合劑,無法實現(xiàn)構件的大面積快速檢測;射線方法則存在體積大、對人體有輻射等不足,對一些特殊場合不方便進行在線檢測;渦流方法具有高速、精確和無接觸等優(yōu)點[4-11],但目前主要用于淺表裂紋的檢測及定量,由于存在集膚效應,深裂紋檢測信號的信噪比一般很低,裂紋尺寸定量困難。

本文通過仿真,研究了提高金屬厚壁結構中渦流傳感器布置方案對深裂紋信號信噪比的影響,提出采用反面渦流檢測信號定量厚壁結構中的深裂紋尺寸以及采用多頻降噪法提高信噪比和裂紋重構精度的設想,并通過仿真驗證了其可行性。

1 金屬厚壁結構的數(shù)值仿真建模

為了分析金屬厚壁結構中深裂紋檢測信號和渦流傳感器布置方案的關系,本文使用了基于A-φ方程的有限元—邊界元混合法程序計算了兩種激勵頻率下線圈的阻抗信號。該程序的計算精度很高,其可靠性和有效性已經過長期驗證。圖1為該程序對JSAEM第2標準問題[12]的仿真結果和和實測信號的比較。

圖1 有限元—邊界元混合法程序計算結果驗證

本文所研究的金屬壁結構的模型如圖2所示。材料為SUS304不銹鋼,壁厚t1=20 mm,長l1、寬w1均為200 mm,電導率σw=1.4×106S·m-1,相對導磁率μr=1;焊縫位于裂紋根部,其長、寬、高尺寸分別為l3=220 mm,w3=5 mm,t3=1 mm,其電導率σw=1.0×106S·m-1,相對導磁率μr=1;裂紋長l2=10 mm,寬w2=0.2 mm,深t2,其電導率為零,相對導磁率μr=1。

為保證檢測深裂紋時,渦流傳感器能獲得較大信號,采用了較大尺寸的pancake傳感器(外直徑32 mm,內直徑28 mm,厚5 mm,總激勵電流1 A),提離距離為1 mm。為獲得足夠大的渦流滲透深度,并且通過多頻降噪法來消除檢測信號中的焊縫噪聲,傳感器的激勵頻率使用了10 kHz和50 kHz來檢測厚壁結構中的深裂紋。

為評價焊縫噪聲對渦流檢測信號的影響程度,定義檢測信號的信噪比如下:

SNR=20lg(Acrk/Aweld)

(1)

式中:Acrk和Aweld為裂紋和焊縫噪聲信號的幅值。

定義渦流傳感器的檢測靈敏度為:

(2)

式中:ΔZ和Δd分別為裂紋信號幅值及裂紋深度的變化量。

2 傳感器布置方案對檢測信號的影響

為了比較正面和反面兩種傳感器布置方式對檢測信號的影響,采用有限元-邊界元混合程序計算了這兩種方式下使用10 kHz頻率激勵得到的渦流信號。圖3(a)為檢測信號的信噪比大小隨裂紋深度的變化情況,圖3(b)為傳感器敏度度隨裂紋深度的變化情況。

由圖3(a)可見,無論對于深裂紋還是淺裂紋,當渦流探頭放在試件反面時所獲得信噪比均比正面檢測時大。這是由于渦流探頭放在試件反面時,由于存在集膚效應,裂紋比焊縫對渦流的影響更大,因而可獲得較大信噪比。由圖3(b)可見,當渦流探頭放在試件反面時其對深裂紋的深度變化更敏感,故此將探頭放在試件反面更有利于獲得較大的裂紋重構精度。

圖3 兩種傳感器布置方案對渦流檢測信號的影響

3 基于多頻降噪方法的深裂紋重構

3.1 多頻降噪方法

多頻降噪方法[13]利用裂紋信號和噪聲在不同頻率下相位不同的特性對信號進行相位和幅值線性變換,使不同頻率下的噪聲在變換后基本相同,相減后所剩的殘余噪聲非常小,從而使檢測信號的信噪比得到提高。在實際檢測中,待降噪信號是焊縫處檢測的裂紋和噪聲混合信號,而多頻降噪方法所用的噪聲信號在無裂紋的焊縫處測得。

若記頻率f1的阻抗檢測信號為Z1=r1+ji1,頻率f2的阻抗檢測信號為Z2=r2+ji2,則多頻降噪后,檢測信號變?yōu)?

(3)

3.2 基于多頻降噪方法的深裂紋重構策略

利用焊縫噪聲和裂紋信號在幅值和相位方面分別存在差異的特點,本文提出的基于多頻降噪方法的深裂紋重構反演流程如圖4所示。

圖4 基于多頻ECT信號的焊部裂紋反演流程

基于多頻渦流信號的裂紋重構問題可轉化為以下殘差函數(shù)最小的優(yōu)化問題:

(4)

圖5為12 mm深裂紋位于焊縫根部時的重構結果。由重構結果可見,裂紋左端點位置為-4.75 mm,右端點位置為6.23 mm,裂紋深度迭代的初始值設為3 mm,其重構結果為11.24 mm,和實際深度基本相同,裂紋長度的重構結果為10.97 mm,比實際長度10 mm略長,是實際長度的109.7%。

重構結果表明,對于裂紋形參的不同初始值,逆問題求解程序均能正確地重構出裂紋的長度、深度和位置,重構精度可以滿足要求。這說明,使用基于多頻降噪方法的裂紋重構策略對于厚壁結構焊縫部位的深裂紋定量具有可行性。

圖5 基于多頻ECT信號的焊部裂紋反演流程

4 結論

本文使用基于A-φ方程的有限元—邊界元混合程序對金屬厚壁結構焊縫部位深裂紋的定量問題進行了研究?；诙囝l降噪方法,提出了一種基于結構反面渦流檢測信號的深裂紋重構策略,并通過數(shù)值仿真驗證了所提方法對深裂紋重構的有效性。

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武美先(1972-),女,碩士,講師,主要研究方向為神經網(wǎng)絡、無損檢測、人工智能等;

張東利(1969-),男,博士,副教授,碩士生導師,主要研究方向為機械損傷電磁無損檢測及評價技術、機械結構故障診斷技術等,zdlsir@163.com。

StudyonReconstructionofaDeepCrackinMetalStructures*

WUMeixian1,ZHANGDongli2*

(1.School of Chemistry and Chemical Engineering,North Minzu University,Yinchuan Ningxia 750021,China;2.School of Mechanical and Electrical Engineering,North Minzu University,Yinchuan Ningxia 750021,China)

To enhance the reconstruction precision of a deep crack in thick structures,influence of the eddy current sensor arrangement on testing signals and noises is studied with a 3D code to get eddy current simulation signals. Based on the comparative analysis of results for the two sensor arrangements,a reconstruction strategy based on signals of an outside crack is proposed and a reconstruction code for the inverse problem is also developed. Its effectiveness is confirmed by simulation. Results shown that,reconstruction precision of deep cracks could be enhanced by using the strategy and could be applied to the engineering practice.

thick structure;deep crack reconstruction;eddy current sensor;numerical simulation

TB971

A

1004-1699(2017)11-1689-04

項目來源:國家自然科學基金項目(51667001);寧夏自然科學基金項目(NZ14100);北方民族大學科研項目(2014XYZ07);北方民族大學引進人才項目;國家民委化工技術基礎重點實驗室一般科研項目(2017HG06)

2017-01-09修改日期2017-07-21

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.11.013