基于柱面導(dǎo)波技術(shù)的螺栓缺陷仿真信號分析

［關(guān)鍵詞］超聲波；無螺紋圓柱體；三維模型

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

通過開展超聲檢測有限元仿真的工作，可對系統(tǒng)模型進(jìn)行試驗(yàn)并提供決策依據(jù)。文章對相控陣超聲檢測螺栓缺陷進(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)行有效檢測的可行性。

1仿真參數(shù)設(shè)置

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

本次仿真無螺紋圓柱體尺寸為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，頻率5MHz。文章利用仿真軟件對周向線陣探頭進(jìn)行簡化，采用環(huán)形陣列的方式加載激勵信號，激勵信號為一周期的正弦信號，激勵頻率為5MHz。

2無缺陷圓柱體仿真信號分析

先對無缺陷圓柱體的仿真模型進(jìn)行分析，觀察超聲波在無缺陷圓柱體內(nèi)的傳播情況。仿真采用環(huán)形陣列的方式加載激勵信號時，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個三維截點(diǎn)采集超聲波的時域信號，三維截點(diǎn)1為環(huán)形激勵位置中的一點(diǎn)；三維截點(diǎn)2坐標(biāo)為環(huán)形激勵點(diǎn)向下20mm處；三維截點(diǎn)3坐標(biāo)為環(huán)形激勵點(diǎn)向下40mm處；三維截點(diǎn)4坐標(biāo)為為環(huán)形激勵點(diǎn)向下60mm處；三維截點(diǎn)5坐標(biāo)為環(huán)形激勵點(diǎn)向下80mm處，同時也是圓柱體底部。提取在所有時間內(nèi)的以上5個三維截點(diǎn)上的位移大小，不同三維截點(diǎn)的時域波形如圖1所示。

由圖1可知，三維截點(diǎn)1為激勵點(diǎn)，因此從圓點(diǎn)實(shí)線可以看出第一個正弦波包即為激勵信號，第二個正弦波包在160μs處，因此第二個正弦波包為激勵波包由圓柱體頂部激勵傳播至圓柱底部進(jìn)行反射，然后再次回到圓柱頂部。通過對不同三維截點(diǎn)中第一個正弦波包的波谷時間進(jìn)行提取，其中三維截點(diǎn)2、3、4和5接收到的第一個正弦波包波谷時間依次為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)正弦波包波谷的時間差為18μs或19μs，因此這個波包的傳播速度v=1111m/s。同時根據(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%，因此第一個正弦波包為縱波。

3含缺陷圓柱體仿真信號分析

在距離圓柱體激勵面的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。通過仿真計(jì)算得到不同缺陷仿真模型的波場云圖，缺陷1仿真模型20μs時的波場云圖如圖2所示。

圖2中超聲波的傳播情況與無缺陷模型相似，同樣是在1μs波場云圖中采用環(huán)形陣列的方式加載激勵信號時，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，一部分波包穿過缺陷1沿著圓柱體繼續(xù)傳播，另一部分波包被反射回來，使波包更加復(fù)雜。通過計(jì)算得出，超聲波的第一個波包在20μs左右與缺陷1相互作用，超聲波的第一個波包在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)圓柱體頂部即激勵面。

與圖2類似的是，缺陷2仿真模型在不同時刻的波場變化過程顯示，超聲波在圓柱體的1/2L處與缺陷2相互作用，一部分波包穿過缺陷2沿著圓柱體繼續(xù)傳播，另一部分波包被反射回來，使波包更加復(fù)雜。還可以看出，超聲波的第一個波包在40μs左右與缺陷2相互作用，超聲波的第一個波包在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)圓柱體頂部即激勵面。

同樣地，缺陷3仿真模型在不同時刻的波場變化仿真過程顯示，超聲波在圓柱體的3/4L處與缺陷3相互作用，同時超聲波的第一個波包在60μs左右與缺陷3相互作用，超聲波的第一個波包在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)圓柱體頂部即激勵面。

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

對比圖3可以發(fā)現(xiàn)，三維截點(diǎn)1～5接收到第一個正弦波包波谷時間幾乎一致，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)一步分析缺陷對超聲波傳播特性的影響，分別對相同三維截點(diǎn)處不同三維模型的時域波形進(jìn)行對比分析。不同三維模型中三維截點(diǎn)1的時域波形如圖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)時間T，分別為42μs、78μs和115μs。由于激勵信號波谷的時間為t=6μs，根據(jù)速度與時間的計(jì)算公式，可以得出：42μs處的缺陷距離激勵面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)時域波形信號處理有效識別缺陷位置。

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

4結(jié)束語

通過無缺陷螺栓模型的仿真信號分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)螺栓端面陣元組所激勵出信號的第一個正弦波包為縱波。通過對含缺陷螺栓模型的仿真信號分析，發(fā)現(xiàn)所激勵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技術(shù)通過在螺栓端面激勵超聲波能夠?qū)τ邢揲L度內(nèi)螺栓的整體進(jìn)行檢測。此外，通過分析超聲波的時域波形，對無螺紋圓柱體側(cè)面缺陷位置進(jìn)行識別與計(jì)算，比較發(fā)現(xiàn)對于缺陷定位分析，選擇激勵點(diǎn)的時域波形更容易通過信號處理定位缺陷位置。