鋼軌軌底斜裂紋的超聲導(dǎo)波散射特性

盧　超，盛華吉，宋　凱，林俊明，何方成

(1.南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南昌 330063；2.愛(ài)德森(廈門)電子有限公司， 廈門 361003；3.中航工業(yè)北京航空材料研究院， 北京 100095)

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鋼軌軌底斜裂紋的超聲導(dǎo)波散射特性

盧超1，盛華吉1，宋凱1，林俊明2，何方成3

(1.南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南昌 330063；2.愛(ài)德森(廈門)電子有限公司， 廈門 361003；3.中航工業(yè)北京航空材料研究院， 北京 100095)

摘要：鋼軌軌底斜裂紋的超聲導(dǎo)波散射特性是超聲導(dǎo)波檢測(cè)鋼軌軌底技術(shù)的基礎(chǔ)。首先對(duì)鋼軌軌底導(dǎo)波傳播特性及激發(fā)頻率對(duì)導(dǎo)波散射特性的影響進(jìn)行了數(shù)值分析，再進(jìn)一步基于ABAQUS軟件建立了鋼軌軌底不同角度斜裂紋散射特性的有限元模型，對(duì)橫向振動(dòng)模態(tài)和垂直振動(dòng)模態(tài)下鋼軌軌底不同角度斜裂紋的散射特性進(jìn)行了分析。數(shù)值分析和波場(chǎng)快照顯示，橫向振動(dòng)模態(tài)較垂直振動(dòng)模態(tài)下超聲導(dǎo)波在鋼軌軌底斜裂紋上的頻散相對(duì)嚴(yán)重，垂直振動(dòng)模態(tài)下導(dǎo)波檢測(cè)鋼軌斜裂紋效果更好，為后續(xù)鋼軌軌底導(dǎo)波檢測(cè)試驗(yàn)提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：鋼軌；導(dǎo)波；頻散曲線；無(wú)損檢測(cè)

火車對(duì)鐵道上鋼軌的長(zhǎng)期沖壓會(huì)使軌道軌底產(chǎn)生微小裂紋，從而影響行車安全。斜裂紋、核傷(軌頭橫向疲勞裂紋)和腐蝕是鋼軌軌底最常見(jiàn)，同時(shí)也是危害最大的缺陷[1]。在軌道線路上對(duì)此三類缺陷進(jìn)行在線檢測(cè)比較困難。目前國(guó)內(nèi)外主要使用軌道探傷車及軌道探傷裝置對(duì)其實(shí)施檢測(cè)，由于鋼軌探傷車的探頭輪裝置放置于鋼軌軌頭踏面，激勵(lì)信號(hào)只能檢測(cè)出鋼軌中心軸±10 mm范圍內(nèi)的缺陷，該范圍以外的軌底兩側(cè)邊沿區(qū)域不能被檢測(cè)到，因而鋼軌軌底缺陷成為檢測(cè)的盲區(qū)。采用目前的超聲檢測(cè)技術(shù)無(wú)法對(duì)實(shí)際線路鋼軌軌底板缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確而快速的檢測(cè)，因此有必要研究出新的檢測(cè)方法。

超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)具有一觸即發(fā)、長(zhǎng)距離、大范圍傳播、檢測(cè)快捷高效等特點(diǎn)。了解導(dǎo)波的意義、導(dǎo)波模態(tài)[2],并對(duì)波結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析是選擇和激發(fā)檢測(cè)波模式的重要依據(jù)。ZUMPANO等采用商用的ABAQUS平臺(tái)對(duì)導(dǎo)波在鋼軌中的傳播進(jìn)行了有限元仿真研究[3]，但該研究主要針對(duì)軌道軌頭部分的缺陷，并未對(duì)軌底的超聲導(dǎo)波傳播模式和導(dǎo)波模式特征進(jìn)行分析。WILCOX[4]，CAWLEY[5]等應(yīng)用導(dǎo)波檢測(cè)方法對(duì)埋在鐵路和公路交叉道路口中鋼軌軌底的腐蝕缺陷進(jìn)行了在線檢測(cè)。HAYASHI[6-7]和MIYAZAKI[8]等采用半解析有限數(shù)值法對(duì)日制JIS50型自由狀態(tài)鋼軌軌底中的導(dǎo)波進(jìn)行了研究，分析得出在不同的激勵(lì)方式作用下導(dǎo)波有三類模態(tài)：橫向振動(dòng)模態(tài)、垂直振動(dòng)模態(tài)[9]和縱向振動(dòng)模態(tài)，每種振動(dòng)模態(tài)含有多種導(dǎo)波模式，對(duì)導(dǎo)波傳播模式的簡(jiǎn)化有利于分析與研究。

筆者以國(guó)內(nèi)高速鐵路鋪設(shè)的鋼軌為研究對(duì)象，利用有限元軟件ABAQUS對(duì)其進(jìn)行模擬仿真，研究鋼軌軌底中超聲導(dǎo)波對(duì)不同角度斜裂紋的散射特性。將激發(fā)探頭放在軌底左側(cè)一端的表面處，在軌底激發(fā)不同振動(dòng)模式的導(dǎo)波。對(duì)鋼軌軌底中不同振動(dòng)模式導(dǎo)波的波包形狀特征以及激發(fā)頻率、周數(shù)等因素進(jìn)行了研究，通過(guò)改變軌底斜裂紋的角度來(lái)獲取檢測(cè)信號(hào)，利用波包幅值以及波場(chǎng)快照分析缺陷幾何特征對(duì)軌底導(dǎo)波檢測(cè)的影響和軌底導(dǎo)波的散射特性。

1鋼軌軌底中的導(dǎo)波傳播特性

頻散和多模式是固體超聲波傳播的兩個(gè)主要特性。鋼軌軌底截面的幾何形狀不規(guī)則，通過(guò)數(shù)值方法可以得出導(dǎo)播傳播特性的頻散曲線和不同導(dǎo)波的傳播模式。由于鋼軌截面尺寸的差異，不同型號(hào)的鋼軌所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)波的頻散曲線和各模式導(dǎo)波的截止頻率也不同。圖1是鋼軌截面的主要幾何尺寸。

圖2　軌底導(dǎo)波的不同模態(tài)波結(jié)構(gòu)

日本名古屋理工學(xué)院的HAYASHI結(jié)合半解析有限元的方法，應(yīng)用RAIL DISPERSION軟件得出如圖2所示的0～200 kHz頻率范圍內(nèi)鋼軌軌底中的橫向振動(dòng)模態(tài)、垂直振動(dòng)模態(tài)和縱向振動(dòng)模態(tài)導(dǎo)波的頻散曲線。由圖可以看出,隨著頻率的增加，軌底中的各種振動(dòng)模態(tài)中的導(dǎo)波模式數(shù)不斷增加。對(duì)于縱向振動(dòng)模態(tài)，群速度頻散曲線比較混亂且不利于檢測(cè)，而橫向振動(dòng)模態(tài)和垂直振動(dòng)模態(tài)在60～200 kHz頻率范圍內(nèi)頻散曲線比較平緩，呈現(xiàn)較好的頻散特性，可作為后續(xù)激勵(lì)檢測(cè)模式的研究。

由圖3看出，隨著脈沖周期數(shù)的增加，頻帶寬度越小，信號(hào)的頻散特性越好，則傳播能量越集中，聲波傳播距離就越遠(yuǎn)，有利于信號(hào)的傳播。

從鋼軌軌底群速度頻散曲線可以看出,在鋼軌軌底中存在傳播的多種導(dǎo)波模式，這些模式基本都具有頻散特性；各種導(dǎo)波模式的頻散隨著激發(fā)脈沖周數(shù)的不同而不同。為分析激勵(lì)脈沖周期數(shù)對(duì)軌底導(dǎo)波檢測(cè)的影響，需要定義導(dǎo)波波包的寬度和幅度[9]。采用有限元軟件ABAQUS仿真模擬得出信號(hào)數(shù)據(jù)，繪制出兩種模態(tài)下波包幅值和寬度關(guān)系曲線，見(jiàn)圖4。

圖3　漢寧窗函數(shù)調(diào)制120 kHz不同周期數(shù)的正弦激勵(lì)信號(hào)

圖4　軌底橫向振動(dòng)模態(tài)和垂直振動(dòng)模態(tài)的脈沖周期數(shù)與波包幅值和寬度關(guān)系曲線

由此看出數(shù)值模擬時(shí)，對(duì)于橫向振動(dòng)模態(tài)，在頻率為60～200 kHz范圍內(nèi)，脈沖周期數(shù)為4,6,8,10周時(shí)，波包幅值都較大，相應(yīng)的波包寬度較小；對(duì)于垂直振動(dòng)模態(tài)，在頻率為60～200 kHz范圍內(nèi)，脈沖周期數(shù)為4,6,8,10周時(shí)，波包幅值也都較大，但相應(yīng)的波包寬度也較大。故兩種模態(tài)選取激發(fā)頻率為120 kHz內(nèi),脈沖激發(fā)周數(shù)為10時(shí)，波包幅值比較大的同時(shí)，波包幅度也得到兼顧。

2試驗(yàn)方法和結(jié)果

以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的鋼軌為樣品建立如圖5所示的鋼軌模型,模型總長(zhǎng)度1 600 mm,在軌底中間切割長(zhǎng)15 mm，寬1 mm，深14 mm的不同角度(30°，60°，90°，120°，150°)的斜裂紋。在鋼軌軌底的左側(cè)端面施加橫向振動(dòng)模態(tài)和垂直振動(dòng)模態(tài)的激勵(lì)信號(hào)，接受模式為自發(fā)自收。模型材料為鋼，楊氏模量E為210 GPa，密度ρ為7.85 g·cm-3，泊松比ν為0.32。為了減少單元數(shù)目,節(jié)省計(jì)算資源的同時(shí)提高精度，模型中分別采用了邊長(zhǎng)為4 mm和2 mm的六面體C3D8R單元。

圖5　鋼軌模型

當(dāng)斜裂紋角度為60°時(shí)，鋼軌軌底中兩種振動(dòng)模態(tài)下用超聲導(dǎo)波測(cè)得回波信號(hào),STFT(短時(shí)傅里葉變換)時(shí)頻分布如圖6所示。橫向振動(dòng)模態(tài)下導(dǎo)波傳播一段距離后到達(dá)缺陷處的位置能量很少，頻散嚴(yán)重；但垂直振動(dòng)模態(tài)下導(dǎo)波的缺陷波和端面回波能量都較大，清晰可見(jiàn)。時(shí)頻分布圖中的不同形狀等高線間接反映了該模式導(dǎo)波的頻散特性和能量衰減。

圖7為橫向振動(dòng)模態(tài)下60°斜裂紋導(dǎo)波軌底傳播波場(chǎng)快照?qǐng)D，圖8為垂直振動(dòng)模態(tài)下60°斜裂紋導(dǎo)波軌底傳播波場(chǎng)快照?qǐng)D。由圖7可知,對(duì)于橫向振動(dòng)模態(tài)，在約300 μs時(shí)刻,始波到達(dá)斜裂紋缺陷處發(fā)生作用，產(chǎn)生反射回波和透射波;在約450 μs時(shí)刻透射波比較弱;到達(dá)約750 μs時(shí)刻透射波經(jīng)右端面產(chǎn)生的端面反射回波很弱，能量損耗很大，頻散較嚴(yán)重;在900 μs和1 200 μs時(shí)刻斜裂紋反射回波和右端面反射回波被接收到。由圖8可知,對(duì)于垂直振動(dòng)模態(tài)，約300 μs時(shí)刻始波到達(dá)斜裂紋缺陷處發(fā)生作用，產(chǎn)生反射回波和透射波;在約450 μs時(shí)刻一部分透射波沿著軌底向端面?zhèn)鞑?到達(dá)750 μs時(shí)刻經(jīng)過(guò)右端面得到端面反射回波;在900 μs和1 200 μs時(shí)刻斜裂紋反射回波和右端面反射回波被接收。從以上兩種振動(dòng)模態(tài)的波場(chǎng)快照?qǐng)D可以看出，橫向振動(dòng)模態(tài)相對(duì)垂直振動(dòng)模態(tài)下導(dǎo)波在軌底傳播過(guò)程中頻散較嚴(yán)重，檢測(cè)效果沒(méi)有垂直振動(dòng)模態(tài)好。

圖6　橫向振動(dòng)模態(tài)和垂直振動(dòng)模態(tài)下的缺陷波信號(hào)及時(shí)頻分布

圖7　橫向振動(dòng)模態(tài)下60°斜裂紋波場(chǎng)快照

同樣，對(duì)在不同裂紋角度時(shí)獲取的缺陷信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出斜裂紋缺陷反射回波幅值和不同角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1和圖9所示。

表1　軌底兩種振動(dòng)模態(tài)下的缺陷波包幅值

圖8　垂直振動(dòng)模態(tài)下60°斜裂紋波場(chǎng)快照

圖9　兩種振動(dòng)模態(tài)下斜裂紋角度-波包幅值曲線

由圖9可知，斜裂紋角度在30°～90°范圍時(shí)，隨著角度的增加，裂紋缺陷回波幅值也隨之變大；在角度為90°～150°范圍時(shí)，斜裂紋角度越大，相應(yīng)的缺陷回波幅值越小。總體上，在斜裂紋為不同角度情況下，相對(duì)于垂直振動(dòng)模態(tài)，橫向振動(dòng)模態(tài)在鋼軌軌底傳播時(shí)衰減較大，在斜裂紋處存在較多的能量損失，而且缺陷回波幅值較小。說(shuō)明對(duì)于不同角度斜裂紋缺陷檢測(cè)時(shí)，垂直振動(dòng)模態(tài)檢測(cè)效果要比橫向振動(dòng)模態(tài)效果好。

3結(jié)語(yǔ)

研究超聲導(dǎo)波在鋼軌軌底中的傳播特性,為垂直振動(dòng)模態(tài)和橫向振動(dòng)模態(tài)兩種模態(tài)方式應(yīng)用于實(shí)際鋼軌軌底斜裂紋缺陷檢測(cè)提供了理論性的指導(dǎo)。筆者主要對(duì)無(wú)約束自由狀態(tài)下鋼軌軌底導(dǎo)波傳播特性進(jìn)行了研究，選擇合適的激勵(lì)頻率、脈沖周期數(shù)，采用有限元方法對(duì)鋼軌軌底斜裂紋缺陷進(jìn)行了數(shù)值模擬；從鋼軌軌底中的導(dǎo)波傳播頻散曲線可以看出，橫向振動(dòng)模態(tài)和垂直振動(dòng)模態(tài)適用于軌底缺陷檢測(cè)，而縱向振動(dòng)模態(tài)頻散曲線分散，不適用于檢測(cè)。同時(shí)超聲導(dǎo)波在軌底傳播的波場(chǎng)快照?qǐng)D和兩種振動(dòng)模態(tài)下斜裂紋不同角度波包幅度關(guān)系曲線顯示，橫向振動(dòng)模態(tài)相對(duì)垂直振動(dòng)模態(tài)超聲導(dǎo)波在軌底傳播過(guò)程中頻散較嚴(yán)重，垂直振動(dòng)模態(tài)檢測(cè)效果更好。

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Ultrasonic Guided Wave Scatterting Characteristics of Rail Base Oblique Cracks

LU Chao1, SHENG Hua-ji1, SONG Kai1, LIN Jun-ming2, HE Fang-cheng3

(1.Key Lab of Nondestructive Testing,Ministry of Education,Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063,China;2.Eddysun (Xiamen) Electronic Co., Ltd., Xiamen 361003, China;3.Avic Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)

Abstract：The research on ultrasonic guided wave scattering characteristics on rail base oblique cracks is the basis of the appropriate guided wave detection technology. This paper includes numerical analysis result of the guided wave propagation characteristics on rail base and the effects of different excitation frequency on it. Based on ABAQUS software, a finite element model of the rail base is established at different angles, which is used to analyze scattering characteristics of transverse and vertical vibration mode wave in the rail base at different angles .The numerical analysis results and wave field simulation snapshots show that frequency dispersion phenomenon of transverse vibration mode wave on rail base oblique cracks is more obvious than that of vertical vibration mode. It is therefore the vertical vibration mode rather than the transverse one that can give better detection effect. This study also provides a theoretical basis for the subsequent rail base guided wave detection experiments.

Key words:Rail; Guided wave; Frequency dispersion curve; Nondestructive testing

收稿日期：2015-11-06

基金項(xiàng)目：江西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20114BAB20200B)

作者簡(jiǎn)介：盧超(1971- ), 男, 教授, 主要從事固體聲學(xué)及超聲檢測(cè)研究工作。通信作者:盛華吉(1991-),男,碩士,E-mail: a2241964569@163.com。

DOI:10.11973/wsjc201605005

中圖分類號(hào)：TG115.28

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-6656(2016)05-0018-05