不同參數(shù)對超聲波在玻璃鋼復合材料中傳播特性影響數(shù)值仿真研究

楊宇清* 蔚道祥

（上海市特種設備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院）

0 引言

玻璃鋼材料具有比模量高、比強度高以及質(zhì)量輕等優(yōu)良特性，其密度比碳鋼要小很多，為碳鋼的20%～25%，有利于運輸和安裝，同時具有很高的機械強度，拉伸強度和抗彎曲性能甚至超過了一些合金材料，玻璃鋼中含有玻璃纖維可以增強材料的剛度和強度[1]。由于玻璃鋼材料具有以上優(yōu)良特性，目前被廣泛應用于航空航天、大型風電葉片等領(lǐng)域，同時玻璃鋼材料的應用范圍還在不斷擴大，如應用在石油管道、交通運輸、天然氣汽車和電動汽車等行業(yè)中[2-3]。玻璃鋼在日常生活中也較為常見，如吸塵器、玻璃鋼浴缸、玻璃鋼釣魚竿等，不僅環(huán)保而且成本低。隨著玻璃鋼技術(shù)不斷發(fā)展和自身良好的優(yōu)越特性，玻璃鋼在各個領(lǐng)域都具有良好的應用前景，其應用范圍將會越來越廣[4]。

玻璃鋼材料也存在一些問題和缺點，在玻璃鋼中加入一些纖維有助于提高復合材料的力學性能，但制作工藝過程中的穩(wěn)定性和組分的多樣性等[5-7]原因，都可能導致玻璃鋼材料出現(xiàn)缺陷（如夾雜、分層、空隙、纖維分布不均勻等），若材料中出現(xiàn)缺陷，那么玻璃鋼材料的斷裂韌性、延展性、抗蠕變損傷能力和疲勞壽命都會降低[8-9]。近年來，國內(nèi)外學者一直致力于研究玻璃鋼材質(zhì)的聲發(fā)射檢測。由于玻璃鋼材料具有各項異性特點，超聲波在玻璃鋼中傳播情況較為復雜，這給玻璃鋼材料的檢驗檢測工作帶來了一定困難。在實際應用中，不同應用場合下玻璃鋼材料厚度是不同的，對其進行超聲檢測時，需要了解厚度對聲學特性的影響，還要選擇合適的探頭頻率，明確檢測頻率和材料方向?qū)β晫W特性的影響，從而對材料進行全面檢測。故本文利用ABAQUS 有限元仿真軟件探究與纖維呈不同角度、玻璃鋼厚度、檢測頻率對超聲波傳播的影響，為后續(xù)玻璃鋼聲發(fā)射檢測技術(shù)提供參考。

1 不同厚度玻璃鋼仿真及結(jié)果分析

玻璃鋼的應用場合不同時，其厚度也不同，在進行超聲檢測時，需了解玻璃鋼厚度對聲學特性的影響，以便于設置檢測參數(shù)。針對該問題，分別選取3，6，9 mm 厚度的玻璃鋼模型進行仿真模擬，其中纖維鋪設角度為0°，頻率分別為500 kHz 和600 kHz，仿真參數(shù)及結(jié)果可見表1。將仿真結(jié)果繪制成折線圖，如圖1 所示。

由圖1 可知，在500，600 kHz 這兩種檢測頻率條件下，隨著玻璃鋼復合材料板厚增大，超聲波聲速變大。由表1 中的超聲波峰值可知，隨著玻璃鋼材料厚度增大，聲速也隨之增大，同時超聲波衰減也不斷增大。

表1 不同厚度的數(shù)值仿真結(jié)果

圖1 不同厚度對應的聲速折線圖

2 與纖維呈不同角度仿真及結(jié)果分析

本部分主要探究玻璃鋼板與纖維呈不同角度時的超聲波傳播特性。選取0°/90°交替鋪層纖維方式，建立有限元仿真模型時，將插件中鋪層角度設置成為0°/90°交替鋪層，其中每層的厚度設置為0.5 mm，共鋪設12 層，所以玻璃鋼板的厚度為6 mm，激勵為中心頻率為500 kHz 的調(diào)制正弦信號，固定分析信號的距離中心點為100 mm，分別在方向為0°，30°，45°，60°，90°處設置分析信號點。圖2 所示為對應的場輸出圖部分截圖，仿真結(jié)果如表2 所示。將仿真結(jié)果繪制成折線圖，如圖3 所示。

圖2 場輸出的動態(tài)截圖

表2 不同方向的數(shù)值仿真結(jié)果

圖3 不同方向時對應的聲速

由圖3 可知，0°和90°是沿纖維方向，聲速明顯大于其他方向，且45°方向聲速最小，可知沿著纖維方向聲速較大；根據(jù)表2 中的峰值可知，沿著纖維方向的衰減要大。

3 不同激勵頻率數(shù)值仿真及結(jié)果分析

由于玻璃鋼材料衰減較大，檢測頻率對超聲波衰減影響較大，為了探究檢測頻率對超聲波在玻璃鋼材料中傳播特性的影響，選取3 ，6 mm 兩種厚度規(guī)格玻璃鋼試塊，檢測頻率為500，600，700 kHz 時的聲速情況，其他檢測參數(shù)均相同。仿真參數(shù)及檢測結(jié)果如表3 所示，將仿真結(jié)果繪制成折線圖，如圖4 所示。無論是在3 mm 的玻璃鋼試塊，還是在6 mm 玻璃鋼試塊中，當檢測頻率增加時，聲速也隨之變大，由表3 中的峰值可知，當頻率變大時，衰減也不斷變大。

4 結(jié)論

本文采用ABAQUS 有限元軟件建立了玻璃鋼復合材料的有限元數(shù)學模型，從理論上研究了超聲波在玻璃鋼復合材料中的傳播機理，分別對不同玻璃鋼厚度，不同檢測頻率，不同檢測方向這3 個參數(shù)來研究超聲波的傳播特性，并得出了以下結(jié)論。

表3 不同頻率的數(shù)值仿真結(jié)果

圖4 不同頻率對應的聲速

（1）玻璃鋼試驗厚度不同時，超聲波的聲速隨著板厚增加而變大；當板厚和聲速都變大時，超聲波衰減也不斷變大。

（2）使用不同檢測頻率時，超聲波的傳播聲速隨著檢測頻率的增加而不斷變大；當頻率和聲速不斷變大時，超聲波衰減也不斷變大。

（3）檢測點與玻璃纖維呈不同角度時，超聲波在沿纖維方向傳播速度要明顯比非纖維方向更快，其中在與纖維呈45°方向時聲速最小，但是在沿纖維方向的衰減也比非纖維方向更大。