表面开口斜裂纹超声表面波频谱法测量的数值模拟

    在无损检测中,表面裂纹的尺寸是表面缺陷检测中的一项非常重要的待测指标。与其它方法相比用超声表面波检测裂纹具有一定的优越性,因而备受关注。由于表面波的能量主要分布在工件表面一个波长的范围内,随着深度的增加迅速的衰减,相比之下,在表面波的传播方向上,能量基本上不衰减。表面波的这种衰减特性,适合于对表面裂纹的深度测定。许多学者对表面波裂纹测深进行了大量的研究,主要是从实验的角度来观察^[1-3]。Burger等人利用光弹实验对表面波在开口直裂纹处的散射做了研究,并通过频谱法对裂纹的深度做了对比测试,获得了较好的效果^[4]。与开口直裂纹表面波测量相比,开口斜裂纹的测量要更为复杂^[5]。近年来,随着有限元数值模拟方法的广泛应用,利用有限元方法来模拟表面波在斜裂纹上的散射和对斜裂纹的检测已非常可行。本文采用ABAQUS软件建立了二维表面开口斜裂纹模型,为节省计算资源,在模型中引入了吸收边界。通过波场快照图观察了脉冲超声表面波在开口斜裂纹处的散射和波型转换过程,利用超声频谱法对不同深度和角度的斜裂纹进行了模拟检测^[6],得出了开口斜裂纹角度和深度参数与透射回波频谱吸收频率的对应关系。本文的研究工作对表面开口斜裂纹的超声无损检测具有指导意义。

    1　表面波在斜裂纹上散射的有限元模拟

    1. 1　检测模型

    用ABAQUS软件瞬态动力学模块进行模拟,模型长500mm,宽95mm,厚80mm,划分的网格为正方形结构体,网格为1mm。模型材料为钢,声波传播的纵波速度为Vp=5900m/s,

    横波速度为Vs=3200m/s,瑞利波速度为VR=2900m/s,材料参数:杨氏模量E=200GPa,密度ρ=7850kg/m^3,泊松比=0. 32,时间步长为0. 3333μs^[7]。裂纹在模型的中间位置,倾斜角度为α,深度为h,宽度为1. 0mm,信号发射位置在距离模型左边界125mm处,接收信号在距离模型右边界180mm处。模型局部结构如图1所示。

    1. 2　激励信号的选取

    为了模拟超声换能器的声场,在上表面沿向下方向加一个瞬时位移载荷P(t)^[1]。这里选用激励信号源为高斯窗函数调制3个周期正弦脉冲,中心频率为0. 3M,对应的波长为10mm左右,一个周期的脉冲为3. 333μs, 3个周期脉冲宽度为10μs。

    τ为信号脉冲时间10μs,A为幅度取为1,取2.5。P(t)的波形和频谱如图2所示:

    1. 3　人工边界条件

    由于计算机存储量的限制,选取的有限元模型区域实际是非常有限的一部分,计算区域和实际区域的其他部分间存在人工截断边界。为了保证波动模拟的可靠性与真实性,必须在人工截断边界上加上适当的人工边界条件。综合考虑现有的边界条件和对各种波型的吸收效果,本文选用了Sarmar于1988年提出的吸收边界和刘晶波提出的等效二维一致粘弹性边界的组合^{[1] [8]}。