焊缝特征导波模态的分析与应用.pdfVIP

第 1 7 卷 第 7 期 2 0 1 7 年 3 月 科 学 技 术 与 工 程 Vol . 17 No . 7 Mar . 2017 1671 — 1815(2017)07-0026-05 Science Technology and Engineering © 2017 Sci . Tech . Engrg . 焊缝特征导波模态的分析与应用 许桢英 1 刘 欢 1 ( 高书苑2 洪 红 1 ( 江苏大学机械工程学院1 $镇江 212013 %合肥工业大学仪器科学与光电工程学院2 $合肥 23000+) 摘 要 为 满 足 焊 缝 快 速 高 效 无 损 检 测 需 要 ，并提高超声导波对焊缝缺陷的灵敏度 ，研究高频下的焊缝导波模态尤为重要 。 基 于 C 0M S0L 软件建立了二维对接焊缝半解析有限元模型 通过数值模拟与分析发现， ，频率大于 300 k H z 时 ，焊缝中 S H c 模 态几乎无频散 、泄露小 ，适合于长距离快速焊缝检测 。通过试验验证了 S H c 模态导波在对接焊缝中的传播特性 ，确定了最佳 激励频率范围为320 360 kHz ;并对焊缝中直径为3 m m 的预置孔洞缺陷实现了检测 定位精度高于， 2 . 5 % 。 关键词焊缝特征导波 半解析有限元 数值模拟 S H c 模态 缺陷检测 中 图 法 分 类 号 TB551; 文 献 标 志 码 A 超声导波检测技术是近年来发展起来的一种 是，迄今为止国内外学者对焊缝特征导波的研究都 新型焊缝检测技术，与传统的超声体波检测技术不 局限在200 k H z 以下的频率段，并只能检测大小在 同的是，超声导波的传播距离远、传播速度快，一次 20 m m 以上缺陷，并不适合焊缝缺陷检测的真正工 扫描即可检测整个厚度范围内的所有缺陷。2006 程应用。 年 SargenO1在实验研究中发现，超声导波可以集中 本文基于C0 MS0 L 软件平台，运用半解析有限 于焊缝中，并沿着焊缝传播%提出可以通过对回波信 元法，通过数值模拟的方式，从位移、频散、能量等角 号的分析处理，提取出焊缝的结构信息，从而准确定 度研究了泄露少、频散小的高阶焊缝特征导波模态， 位缺陷%并对缺陷形成的损害进行预判。随后国内 并通过优化的激励方法产生这些模态，成功检测出 外学者开始运用数值方法模拟焊缝中的导波传播特 焊缝中的缺陷，为基于超声导波的焊缝无损检测提 性[2—6]，通过建立对接焊缝的有限元模型，在焊缝端 供了一种参考。 部施加激励，证明了焊缝导波模态的存在。Fan [7,8] 1 半解析有限元模型 通过半解析有限元法对对接焊缝中存在的几种基本 模态进行了系统研究，发现剪切模态的能量较压缩 半解析有限元法的核心思想是降维，对于焊缝 模态更集中于焊缝，泄露更少，衰减更小，更加适合 这种任意形状截面波导，可以运用二维半解析有限 于焊缝检测;并正式提出焊缝特征导波模态的概念， 元法对波导截面进行离散，进而模拟三维的位移场。 同时研究了导波在焊缝中的能量束缚 （energy trap ­ 假设波导中的谐波沿着6 方向传播，波导中质点位 ping ) 现象; 并阐述了形成原因及条件 :焊缝中导波