基于柱面導(dǎo)波技術(shù)的螺栓缺陷仿真信號(hào)分析

［關(guān)鍵詞］超聲波；無(wú)螺紋圓柱體；三維模型

［中圖分類號(hào)］TH131.3 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）10–0160–03

通過(guò)開(kāi)展超聲檢測(cè)有限元仿真的工作，可對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行試驗(yàn)并提供決策依據(jù)。文章對(duì)相控陣超聲檢測(cè)螺栓缺陷進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證相控陣超聲在螺栓端面激發(fā)超聲波進(jìn)行有效檢測(cè)的可行性。

1仿真參數(shù)設(shè)置

由于圓柱體具有二維對(duì)稱性，為了減少仿真模型的計(jì)算量，節(jié)約計(jì)算所需的內(nèi)存和時(shí)間，在仿真建模時(shí)，采用二維軸對(duì)稱建模來(lái)實(shí)現(xiàn)三維模型的仿真，大幅縮減了三維模型計(jì)算所需的時(shí)間。

本次仿真無(wú)螺紋圓柱體尺寸為φ8mm×80mm，材料參數(shù)分別為泊松比0.269、密度7890kg/m3、楊氏模量10GPa。采用周向線陣探頭，探頭外徑6mm，內(nèi)徑2mm，晶片數(shù)量16個(gè)，頻率5MHz。文章利用仿真軟件對(duì)周向線陣探頭進(jìn)行簡(jiǎn)化，采用環(huán)形陣列的方式加載激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)信號(hào)為一周期的正弦信號(hào)，激勵(lì)頻率為5MHz。

2無(wú)缺陷圓柱體仿真信號(hào)分析

先對(duì)無(wú)缺陷圓柱體的仿真模型進(jìn)行分析，觀察超聲波在無(wú)缺陷圓柱體內(nèi)的傳播情況。仿真采用環(huán)形陣列的方式加載激勵(lì)信號(hào)時(shí)，超聲波在環(huán)形陣列位置產(chǎn)生，并沿著圓柱體傳播，由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的限制，超聲波在圓柱體內(nèi)多次反射并進(jìn)一步產(chǎn)生復(fù)雜的疊加干涉及幾何彌散形成超聲導(dǎo)波。

為進(jìn)一步分析超聲波在圓柱體中的傳播情況，在三維仿真模型中設(shè)置了5個(gè)三維截點(diǎn)采集超聲波的時(shí)域信號(hào)，三維截點(diǎn)1為環(huán)形激勵(lì)位置中的一點(diǎn)；三維截點(diǎn)2坐標(biāo)為環(huán)形激勵(lì)點(diǎn)向下20mm處；三維截點(diǎn)3坐標(biāo)為環(huán)形激勵(lì)點(diǎn)向下40mm處；三維截點(diǎn)4坐標(biāo)為為環(huán)形激勵(lì)點(diǎn)向下60mm處；三維截點(diǎn)5坐標(biāo)為環(huán)形激勵(lì)點(diǎn)向下80mm處，同時(shí)也是圓柱體底部。提取在所有時(shí)間內(nèi)的以上5個(gè)三維截點(diǎn)上的位移大小，不同三維截點(diǎn)的時(shí)域波形如圖1所示。

由圖1可知，三維截點(diǎn)1為激勵(lì)點(diǎn)，因此從圓點(diǎn)實(shí)線可以看出第一個(gè)正弦波包即為激勵(lì)信號(hào)，第二個(gè)正弦波包在160μs處，因此第二個(gè)正弦波包為激勵(lì)波包由圓柱體頂部激勵(lì)傳播至圓柱底部進(jìn)行反射，然后再次回到圓柱頂部。通過(guò)對(duì)不同三維截點(diǎn)中第一個(gè)正弦波包的波谷時(shí)間進(jìn)行提取，其中三維截點(diǎn)2、3、4和5接收到的第一個(gè)正弦波包波谷時(shí)間依次為29μs、47μs、66μs和84μs，由于相鄰兩截點(diǎn)間的距離相差20mm，且相鄰兩截點(diǎn)正弦波包波谷的時(shí)間差為18μs或19μs，因此這個(gè)波包的傳播速度v=1111m/s。同時(shí)根據(jù)超聲波縱波公式可以計(jì)算出圓柱體的縱波波速約為1200m/s，仿真中超聲波傳播波速與理論波速比較接近，誤差率為7.4%，因此第一個(gè)正弦波包為縱波。

3含缺陷圓柱體仿真信號(hào)分析

在距離圓柱體激勵(lì)面的1/4L處、1/2L處、3/4L處設(shè)置缺陷1、2和3，缺陷寬度和深度均為2mm。通過(guò)仿真計(jì)算得到不同缺陷仿真模型的波場(chǎng)云圖，缺陷1仿真模型20μs時(shí)的波場(chǎng)云圖如圖2所示。

圖2中超聲波的傳播情況與無(wú)缺陷模型相似，同樣是在1μs波場(chǎng)云圖中采用環(huán)形陣列的方式加載激勵(lì)信號(hào)時(shí)，超聲波在環(huán)形陣列位置產(chǎn)生，并沿著圓柱體傳播。不同的是超聲波在圓柱體的1/4L處與缺陷1相互作用，一部分波包穿過(guò)缺陷1沿著圓柱體繼續(xù)傳播，另一部分波包被反射回來(lái)，使波包更加復(fù)雜。通過(guò)計(jì)算得出，超聲波的第一個(gè)波包在20μs左右與缺陷1相互作用，超聲波的第一個(gè)波包在80μs左右到達(dá)圓柱體底部，在150μs左右再次與缺陷1相互作用，在160μs左右到達(dá)圓柱體頂部即激勵(lì)面。

與圖2類似的是，缺陷2仿真模型在不同時(shí)刻的波場(chǎng)變化過(guò)程顯示，超聲波在圓柱體的1/2L處與缺陷2相互作用，一部分波包穿過(guò)缺陷2沿著圓柱體繼續(xù)傳播，另一部分波包被反射回來(lái)，使波包更加復(fù)雜。還可以看出，超聲波的第一個(gè)波包在40μs左右與缺陷2相互作用，超聲波的第一個(gè)波包在80μs左右到達(dá)圓柱體底部，在120μs左右再次與缺陷2相互作用，在160μs左右到達(dá)圓柱體頂部即激勵(lì)面。

同樣地，缺陷3仿真模型在不同時(shí)刻的波場(chǎng)變化仿真過(guò)程顯示，超聲波在圓柱體的3/4L處與缺陷3相互作用，同時(shí)超聲波的第一個(gè)波包在60μs左右與缺陷3相互作用，超聲波的第一個(gè)波包在80μs左右到達(dá)圓柱體底部，在90μs左右再次與缺陷3相互作用，在160μs左右到達(dá)圓柱體頂部即激勵(lì)面。

根據(jù)三維截點(diǎn)在三維仿真模型中的位置，分別對(duì)缺陷1、缺陷2和缺陷3的三維仿真模型中的仿真信號(hào)進(jìn)行提取，得到不同缺陷仿真模型中三維截點(diǎn)1～5的時(shí)域波形如圖3所示。

對(duì)比圖3可以發(fā)現(xiàn)，三維截點(diǎn)1～5接收到第一個(gè)正弦波包波谷時(shí)間幾乎一致，所以缺陷并不影響波包的傳播速度，而是超聲波與缺陷相互作用后產(chǎn)生了反射回波，使得波形變得更加復(fù)雜。因此為了進(jìn)一步分析缺陷對(duì)超聲波傳播特性的影響，分別對(duì)相同三維截點(diǎn)處不同三維模型的時(shí)域波形進(jìn)行對(duì)比分析。不同三維模型中三維截點(diǎn)1的時(shí)域波形如圖4所示。

從圖4中可以看出，在0～20μs及140～200μs之間4個(gè)不同仿真模型中波包幾乎完全重合，但在20～140μs，缺陷1、缺陷2及缺陷3模型中依次出現(xiàn)了正弦波包，這里依次提取了正弦波包的波谷到達(dá)時(shí)間T，分別為42μs、78μs和115μs。由于激勵(lì)信號(hào)波谷的時(shí)間為t=6μs，根據(jù)速度與時(shí)間的計(jì)算公式，可以得出：42μs處的缺陷距離激勵(lì)面19.998mm左右，與缺陷1三維模型缺陷位置一致，78μs處的缺陷距離激勵(lì)面39.996mm左右，與缺陷2三維模型缺陷位置一致，115μs處的缺陷距離激勵(lì)面60.5495mm左右，與缺陷3三維模型缺陷位置一致。驗(yàn)證了該仿真模型可以根據(jù)時(shí)域波形信號(hào)處理有效識(shí)別缺陷位置。

根據(jù)其余不同三維仿真模型中三維截點(diǎn)2、3、4、5的時(shí)域波形顯示，不同三維仿真模型中的時(shí)域波形均存在差異之處，但對(duì)于缺陷定位較困難，因此對(duì)于缺陷定位分析，選擇激勵(lì)點(diǎn)的時(shí)域波形更容易通過(guò)信號(hào)處理定位缺陷位置。

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)無(wú)缺陷螺栓模型的仿真信號(hào)分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)螺栓端面陣元組所激勵(lì)出信號(hào)的第一個(gè)正弦波包為縱波。通過(guò)對(duì)含缺陷螺栓模型的仿真信號(hào)分析，發(fā)現(xiàn)所激勵(lì)超聲波能夠與寬度和深度均為2mm的缺陷進(jìn)行反應(yīng)且獲得有效反射回波，這驗(yàn)證了相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)通過(guò)在螺栓端面激勵(lì)超聲波能夠?qū)τ邢揲L(zhǎng)度內(nèi)螺栓的整體進(jìn)行檢測(cè)。此外，通過(guò)分析超聲波的時(shí)域波形，對(duì)無(wú)螺紋圓柱體側(cè)面缺陷位置進(jìn)行識(shí)別與計(jì)算，比較發(fā)現(xiàn)對(duì)于缺陷定位分析，選擇激勵(lì)點(diǎn)的時(shí)域波形更容易通過(guò)信號(hào)處理定位缺陷位置。