ANSYS在剪切散斑無損檢測系統中的運用

周逸竹，梁志勇，鄧忠良

（東華大學，上海 201620）

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ANSYS在剪切散斑無損檢測系統中的運用

周逸竹，梁志勇，鄧忠良

（東華大學，上海 201620）

摘要：用有限元分析的數值模擬方法（ANSYS）研究剪切散斑無損檢測，已經受到了人們的極大關注。以剪切散斑無損檢測為背景，以有無缺陷試件為模型，對模型進行有限元總體分析，運用計算機數值模擬出在載荷作用下含缺陷試件覆蓋層的形變狀態。結果表明，當缺陷變化時，對最大離面位移差均有不同程度的影響，未來可以將此方法應用于無損檢測中，從而定量檢測出缺陷的位置。

關鍵詞：有限元；數值模擬；剪切散斑；無損；缺陷

1　結構缺陷的理論研究

1.1建立結構內部缺陷

建立結構的內部缺陷理論模型，可以簡化結構，變成大圓柱體周邊被完全固定，其中的一面圓形薄板受到均壓作用，出現小撓度彎曲［1］問題，缺陷設計為小圓柱體，圓柱的直徑即為缺陷直徑，圓柱的厚度即為缺陷的厚度，缺陷深度為缺陷所在的位置距離外表面的距離［2］。

1.2模型理論研究

薄板彎曲的基本方程，又稱為彈性曲面的微分方程：

極坐標下，薄板彎曲的基本方程為：

通過常微分方程解答：

通過大圓薄板的離面位移對r 求導得：

通過大圓薄板的離面位移對x方向求導得：

2　結構缺陷的有限元研究

2.1有限單元法介紹

有限單元法最開始應用于工程科學技術上，在計算力學中也被作為其中一種重要的方法來應用，這種數學物理方法在模擬分析解決電磁學、工程力學等方面的問題也起了至關重要的作用。

此單元法中既有理論作為基礎，又包含廣泛應用的數值分析，它是一種非常有效果的現代力學方法［3］，可以幫助我們解決過去無法用解析方法求解的難題，對于一些復雜的情況，比如不規則的結構形狀和邊界條件等。

2.2有限元軟件的分析過程

一般來說ANSYS 軟件的分析過程［4-5］包含3個主要的步驟：前處理（preproeessing）、解題程序（solution）和后處理（postprocessing）。如圖1所示。

圖1 ANSYS軟件分析的3個步驟Fig.1 Three analysis steps of ANSYS

2.3計算設置

研究中首先用軟件模擬了一塊未含缺陷的圓柱薄板，采用實體建模，類型均為結構分析，直徑為D1=100mm，厚度為t=4mm，材料為AL，其屬性彈性模量E=0.737×10＂Pa，泊松比u =0.28，在其中一個表面施加均勻載荷壓力。在模擬一塊含缺陷的圓柱薄板，大小與上述一致，缺陷分為下面幾種情況。然后將有無缺陷的最大離面位移數據導出，運用Matlab編程計算，代入具體數據，畫出其最大離面位移差，做出圖像，如圖2所示。

圖2 缺陷直徑與最大離面位移差的關系Fig.2 Relationship between defect diameter and maximum displacement out-of-plane difference

2.3.1不同直徑，相同位置深度的缺陷在相同載荷下

的形變分析

缺陷直徑分別為 1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm。缺陷厚度為t=2mm，缺陷位于大圓柱的中心。模型建立以后，自由劃分單元網格，在大圓柱表面均勻施加載荷2kp。

2.3.2相同直徑位置深度的缺陷在不同壓強下的形變

分析

研究中模擬了相同缺陷直徑在不同壓強作用下的變化，即缺陷的直徑位置深度都相同，而壓強不同時，各個試件模型在不同載荷即壓強作用下的最大離面位移差，如圖3，試件模型采用的缺陷深度為t=2mm，直徑2mm位于大圓柱的中心圓柱體。壓強分別為1kp、2kp、3kp、4kp、5kp、6kp、7kp、8kp、9kp、10kp。

圖3 壓強與最大離面位移差的關系Fig.3 Relationship between pressure and maximum displacement out-of-plane difference

2.3.3相同壓強直徑位置的缺陷在不同深度的形變分

析

缺陷的直徑壓強位置相同，缺陷的深度不同時，各個試件模型在不同載荷即壓強作用下的最大離面位移差，如圖4，試件模型采用的缺陷直徑2mm，位于大圓柱的中心圓柱體，壓強為2kp，深度為0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.4mm、1.6mm。

圖4 缺陷深度與最大離面位移差的關系Fig.4 Relationship between defect depth and maximum displacement out-of-plane difference

2.3.4相同壓強直徑深度的缺陷在不同位置的形變分

析

缺陷的半徑深度以及所受載荷相同，缺陷的位置不同時，各個試件模型在不同載荷作用下的最大離面位移差，如圖5，試件模型的模擬采用的缺陷直徑a=2mm，深度2mm，壓強為2kp的圓柱體，缺陷圓心距中心位置為 3mm、6mm、9mm、12mm、15mm、18mm、21mm、24mm、27mm、30mm。

圖5 缺陷距離與形變大小的關系Fig.5 Relationship between defect distance and size of deformation

3　結果與討論

通過以上模擬分析發現，在同一載荷作用下，試件模型的缺陷直徑越大，形變量也越大。在缺陷相同作用下，試件模型的壓力越大，隨之形變也越大。在同一載荷作用下，試件模型的深度離施加載荷的面越遠，形變量越小。在同一載荷作用下，試件模型的缺陷離中心距離越遠，形變量反而越小。

4　結論

用有限元分析的數值模擬方法（ANSYS）研究剪切散斑無損檢測，模擬出在載荷作用下含缺陷試件覆蓋層的最大離面位移，在通過后期分析以及優化，并應用Matlab與未含缺陷的模型進行對比，可以得出以下結論：

第一，改變數值模擬原始條件，可以得出不同載荷作用下最大離面位移差，為實驗提供了理論基礎，缺陷的各項參數均與最大離面位移差有關，且關系密切。

第二，同時也為以后定量檢測缺陷提供了基礎和方向。根據最大離面位移差圖，由以上4種擬合的曲線，就可以在檢測缺陷的時候，通過其最大離面位移推斷缺陷尺寸等。如果對內部缺陷的定量檢測可以通過該模型，那么就可以省掉做實驗的環節。

參考文獻：

［1］吳家龍.彈性力學［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［2］吳愧.電子散斑干涉法在結構內部缺陷檢測中的應用研究［D］.上海：同濟大學，2008.

［3］王敏. 數字散斑剪切干涉結構缺陷檢測研究［D］.南京：南京航空航天大學，2011.

［4］羅飛華. MATLAB GUI 設計學習手冊［K］.北京：北京航空航天大學出版社，2009.

［5］ANSYS.Element Reference，［M］.ANSYS HELP，2002.

中圖分類號：TH878

文獻標志碼：A

文章編號：1674-8646（2016）10-0014-03

收稿日期：2016-03-01

作者簡介：周逸竹（1992-），女，黑龍江雞西人，在讀研究生，主要從事固體力學研究。

Application of ANSYS in speckle-shearing NDT system

ZHOU Yi-zhu， LIANG Zhi-yong， DENG Zhong-liang
（Donghua University， Shanghai 201620， China）

Abstract：Taking use of ANSYS to study speckle-shearing nondestructive testing has attached great concern of people. Taking speckle-shearing NDT as the background，and non-defective specimen as a model，this paper made general analysis of the model finite element，stimulated deformation state of defective specimen coating under the effect of loading. The results showed that the changes of defect has affect on maximum displacement out-of-plane difference in varying degrees，and this method can be applied to NDT in the future so as to quantitatively detect defect location.

Key words：Finite element； Numerical simulation； Speckle-shearing； Non-destructive； Defect