沖振部位和頻率對曲面板沖振回波信號的影響模擬分析

王浩宇

(沈陽興禹水利建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司，遼寧 沈陽 110006)

1 實驗材料與模型

混凝土板厚是35cm，空氣模型厚度50cm，曲率半徑取為2.75m，并取為60°范圍內(nèi)的弧長當(dāng)作環(huán)向長度。混凝土選用平面應(yīng)力三角形單元(CPS3)，同時在兩頭設(shè)立無限單元(CINPS4)，空氣模型選用平面聲學(xué)三角形單元(AC2D3)，沖振點則設(shè)定在板中心上，持續(xù)時間為40μs。在板中央部位設(shè)置深度為H，長是20cm厚度5mm的分層缺陷，同時在以集中力作用部位為原點的A(3，0)、B(3，1)(單位：cm)部位逐一設(shè)立與要求相吻合的信號接收點。另外，整個模型按照之前的簡支邊界約束進(jìn)行構(gòu)建。在此環(huán)節(jié)其分析步時長設(shè)置是4ms，輸出點為4000個點，也就意味著其采樣頻率為1×106Hz。關(guān)于各材料的力學(xué)特性及相關(guān)參數(shù)值可詳見表1。

表1 曲面板存在缺陷模型材料基本參數(shù)

模型選用平面2D模型來模擬砌襯的環(huán)形斷面，模擬示意如圖1所示。

圖1 帶缺陷曲面板數(shù)值模擬效果圖

在其他條件不變的情況下，另行構(gòu)建多組存在明顯深度差異的模型實施比對。

2 沖振部位和頻率對沖振信號的影響分析

2.1 沖振點所處部位對信號的影響分析

工程實踐中面臨的難題是，缺陷狀態(tài)未知前提下，總是在缺陷的中心部位施以沖振似乎很難。而當(dāng)沖振點作用于缺陷邊緣狀態(tài)下，是否能準(zhǔn)確測出缺陷的極值頻率，將直接影響測量精確度。為此需要我們開展作用力偏移模擬分析，其數(shù)值模擬方案具體如圖2所示。

圖2 偏移應(yīng)力數(shù)值模擬方案

模擬選用缺陷深度20cm的曲面板模型，如果施加力集中于缺陷正上方，模擬結(jié)果的極值頻率是9500Hz。為保障集中力垂向作用于曲面板上表面，所以本研究方案選用缺陷整體每一次向左移動d距離的形式，借以模擬力與缺陷相對部位的對應(yīng)演變關(guān)系。其偏移距離分別是2、4、6、8、10、12、15cm，也就是分別構(gòu)建與其偏移間距相對應(yīng)的7個模型，同時保證集中力與信號測點A(3，3)、B(3，1)(單位：cm)的間隔距離不發(fā)生改變。而缺陷寬度仍取為20cm，向左偏移距離是2～8cm時，集中力仍作用于缺陷上方，偏移距離是10cm時集中力作用于缺陷的邊緣，而偏移距離是12cm及15cm時，力的作用部位已然超出了缺陷的范圍。

加施每種工況后的頻譜模擬結(jié)果如圖3所示。

對上述頻譜實施統(tǒng)計，具體結(jié)果見表2。

表2 各偏移條件下的極值頻率統(tǒng)計

圖4及表2揭示，如果沖振點作用于缺陷范圍之內(nèi)，F(xiàn)FT頻譜的基本成分有所改變，但極值頻率均能穩(wěn)定狀態(tài)在9500Hz，很明顯，這與正中心模擬結(jié)果是相同的，如果沖振點與缺陷中心形成的偏移距離不在缺陷范圍之內(nèi)(偏移距離為12cm及15cm)極值頻率變5250Hz，而且頻譜包涵了一個頻率為11000Hz的相對比較低的極值。如果沖振點作用于缺陷范圍之內(nèi)，但在偏移距離不斷增大的情況下，沖振點與缺陷邊緣的間距就會愈發(fā)臨近，而頻譜中相應(yīng)實際板厚度35cm的厚度頻率為5250Hz的極值逐漸變高，這意味沖振點越臨近缺陷邊緣，頻譜基本成分會變得更為復(fù)雜，同時不僅涵蓋了真實板厚頻率(5250Hz)，還涉及了缺陷深度(9500Hz)頻率，也就是說，同時存S1模態(tài)與A2模態(tài)。偏移距離的模擬結(jié)果意味缺陷的寬度范圍及缺陷深度的比值會給頻譜基本成分導(dǎo)致特定的影響。如果沖振點與缺陷邊緣的間距不斷縮小，缺陷寬度也就會隨之變小，在深度不發(fā)生改變的情況下，其與深度的比值也會相應(yīng)變小，這時頻譜不但能如實反映缺陷深度頻率，還能測出真實板厚的頻率。而這與模擬結(jié)果明顯一致，當(dāng)缺陷寬度20cm不變條件下，如果深度達(dá)到30cm，缺陷寬度與深度比值也降低，頻譜上同時反映了缺陷深度頻率及真實板厚頻率。

圖3 缺陷深度值20cm各偏移下的頻譜狀態(tài)

圖4 缺陷深度值20cm各偏移條件下聲壓云狀態(tài)圖

下面，筆者將圍繞沖振頻率與空氣聲場間的關(guān)聯(lián)展開全面且細(xì)致的探討與研究，具體來講，先繪制出數(shù)值模擬聲壓云狀態(tài)圖，結(jié)果如圖4所示。

圖4所示云狀態(tài)揭示，當(dāng)偏移距離由原來的2cm慢慢增大為8cm時，其沖振回波模態(tài)引發(fā)的泄露波聲場會改變原有移動方向，開始向左移動，而且都只作用于缺陷的正上方，在不存在缺陷的區(qū)域，聲波衰減最明顯。當(dāng)偏移距離是10cm時，聲場不僅無規(guī)律可循，甚至出現(xiàn)了混亂，而且相較于前幾個云狀態(tài)圖，沖振回波模態(tài)也更加稀疏，表明這時聲場中即包涵了缺陷部位的沖振回波模態(tài)，同時也涵蓋了真實板厚的沖振回波模態(tài)，兩種方式的疊加致使其聲場特征過于模糊。當(dāng)偏移距離達(dá)到12cm時，其聲場就會恢復(fù)至常態(tài)，其原因在于此時沖振點已然在缺陷外部，局部出現(xiàn)的沖振回波模態(tài)是因為板的底面所引發(fā)。

需注意一點，當(dāng)偏移距離達(dá)到8cm及10cm時，其相應(yīng)的信號測點B已然處在缺陷邊緣的外側(cè)，而這時仍然能得到正確的極值頻率為9500Hz，也便是說測點及沖振點的偏移距離在可控范圍之內(nèi)時，一旦沖振點在缺陷上部哪怕測點在缺陷外側(cè)也會檢測到缺陷的部位。則當(dāng)沖振點沒有出現(xiàn)在缺陷上部但測點卻出現(xiàn)在缺陷上部時，其信號是否會受缺陷的干擾另有待探討，所以，在偏移距離為12cm條件下(沖振點位處缺陷外側(cè))將上述數(shù)值模型中A、B檢測點部位坐標(biāo)換為(-4，0)及(-4，1)(單位：cm)，此時兩測點會同時出現(xiàn)在沖振點的左側(cè)及缺陷的上部，其模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 偏移12cm缺陷上部測點的移位及空氣聲壓頻譜

由圖5可以知道，當(dāng)沖振點處在缺陷外部時，哪怕測點位于缺陷上部但在實際測量時域信號經(jīng)變換處理后生成的頻譜極值頻率仍然相應(yīng)于沖振點部位的深度頻率。綜上分析可以知道，在理想情況下，當(dāng)空氣測點位處沖振點附近水平距離為3～4cm垂向距離為1cm時，不管沖振點位于哪個區(qū)域都可獲取到精準(zhǔn)、可靠的缺陷深度極值頻率，僅是當(dāng)臨近缺陷邊緣時頻譜基本成分會變得更為復(fù)雜，不僅會涵蓋一部分真實板厚的頻率，同時也會涉及到A2模態(tài)頻率。通過上述分析可知，不管信號測點是否出現(xiàn)在缺陷上部，只需確定沖振點位于缺陷上部。

2.2 沖振頻率之與沖振信號的影響分析

力的觸接時間及其代表的沖振錘直徑和能激發(fā)的最大的頻率相關(guān)，通常借助沖振回波法對構(gòu)件進(jìn)行整體測量，在測量過程中，可基于3～20mm區(qū)間內(nèi)任意選擇沖振錘直徑，直徑越小其沖振觸接的時間就會大幅縮短，而激發(fā)頻率就會不斷增大，反之激發(fā)的頻率就會持續(xù)走低。本節(jié)繼續(xù)借助缺陷深度25cm及無缺陷的曲面砌襯模型開展分析，在模擬期間，將集中力函數(shù)的作用時間按規(guī)律調(diào)整，由最初的10μs逐步調(diào)整到20μs到80μs，然后將這些力獨立作用于兩個模型的原點，總共需要14個模型。將模型中B點的信號進(jìn)行有效采集并實施信號處理變換得到其相應(yīng)的頻率譜。在作用不同力下，其信號頻率變化情況可詳見表3—4。

表3 在不同沖振頻率作用下缺陷深度值25cm模型聲壓

表4 不同沖振頻率作用下無缺陷模型聲壓

表3—4數(shù)據(jù)揭示，在集中力頻率不斷減小的情況下，不管曲面板是否存在缺陷，其極值頻率都能穩(wěn)定狀態(tài)在7750H及5250Hz，也便是說在相似于數(shù)值模擬此種理想情況下，力的頻率實際上不會對沖振回波模態(tài)的極值頻率產(chǎn)生任何影響，在實際運用中如單純記錄每一次沖振的極值頻率，沖振錘大小對信號造成的影響基本可忽略不計。

為詳細(xì)探討不同力作用下響應(yīng)信號基本成分的區(qū)別，取為20、40、60、80μs，分別在這4種工況下進(jìn)行信號對比，如圖6—7所示。

圖6 基于不同沖振頻率的頻率普比對

圖7 基于不同沖振頻率的聲壓時程曲線

綜合上述圖表可以獲得，在受力不同的曲面板中，不管有無缺陷所測得的極值頻率不會改變，頻譜基本成分也高度一致，但在力作用時間不斷延長的情況下，頻率就會持續(xù)走低，出現(xiàn)的聲壓最大幅值及FFT頻譜絕對幅值則會隨之增大，也就表明會產(chǎn)生更強(qiáng)的能量。數(shù)值模擬是在特定工況下進(jìn)行的并且相對比較簡單，而在現(xiàn)實工程中，混凝土構(gòu)件是牽扯到多部件的一種復(fù)雜組合體，構(gòu)件內(nèi)部相較于模擬的具體情況也更為復(fù)雜，所以盡管參考本研究結(jié)論選用不同的沖振錘對頻譜的影響甚微，但出于現(xiàn)實工況方面的考慮，由于直徑越大的沖振錘，其生成的能量就越大、頻率就越低、波長就越長，并且應(yīng)力波傳播范圍就越廣，故選用直徑較大的沖振錘更能增強(qiáng)檢測的抗干擾性。

3 總結(jié)

本研究以有限元平面2D實驗計算的方式，圍繞混凝土曲面板沖振沖振部位和頻率對曲面板沖振回波信號的影響課題開展專題計算分析。主要收獲：

(1)空氣測點位處沖振點附近水平距離為3～4cm垂向距離為1cm時，不管沖振點位于哪個區(qū)域都可獲取到精準(zhǔn)、可靠的缺陷深度極值頻率，僅是當(dāng)臨近缺陷邊緣時頻譜基本成分會變得更為復(fù)雜，不僅會涵蓋一部分真實板厚的頻率，同時也會涉及到A2模態(tài)頻率。通過上述分析可知，不管信號測點是否出現(xiàn)在缺陷上部，只需確定沖振點位于缺陷上部；

(2)在集中力頻率不斷減小的情況下，不管曲面板是否存在缺陷，其極值頻率都能穩(wěn)定狀態(tài)在7750H及5250Hz，也便是說在相似于數(shù)值模擬此種理想情況下，力的頻率實際上不會對沖振回波模態(tài)的極值頻率產(chǎn)生任何影響，在實際運用中如單純記錄每一次沖振的極值頻率，沖振錘大小對信號造成的影響基本可忽略不計。

(3)在受力不同的曲面板中，不管有無缺陷所測得的極值頻率不會改變，頻譜基本成分也高度一致，但在力作用時間不斷延長的情況下，其頻率就會持續(xù)走低，其出現(xiàn)的聲壓最大幅值及FFT頻譜絕對幅值則會隨之增大，也就表明會產(chǎn)生更強(qiáng)的能量。