基于有限元模拟的超声应力系数标定及分析.pdf
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1、第 43 卷 第 2 期Vol.43,No.22024 年 3 月Journal of Applied AcousticsMarch,2024 研究报告 基于有限元模拟的超声应力系数标定及分析帅祝名1贾光明2,3成志强1(1 西南交通大学力学与航空航天学院成都610031)(2 国家管网集团北方管道有限责任公司廊坊065000)(3 清华大学电机工程与应用电子技术系北京100084)摘要:应力系数的标定作为超声应力检测最为关键的环节,决定应力检测的精度。应力系数的传统试验标定对于被测物表面粗糙度、耦合剂厚度、声匹配块与被测物接触力等检测因素十分敏感。加之各影响因素之间的耦合作用,使得精确标定出
2、应力系数愈加困难。文章提出把应力系数分为反映材料声弹性效应的基本值和考虑各类检测因素的影响值两部分,可能是当前较为实用的办法。基于有限元软件建立多物理场耦合的超声应力检测模型,施加不同的拉伸载荷,分析临界折射纵波到达时间与不同应力值之间的关系。结果表明:模拟标定45#钢的超声应力系数基本值为13.7 MPa/ns。同时通过4组单轴水平拉伸试验标定出检测因素影响值分别为1.0 MPa/ns、1.7 MPa/ns、2.8 MPa/ns和6.8 MPa/ns。在合理情况下,应力系数基本值直接决定应力系数的大小,检测因素对应力系数值的影响应该较小。检测因素影响值6.8 MPa/ns达到应力系数基本值1
3、3.7 MPa/ns的49.6%,超出合理范围,观察发现这是声匹配块与被测面耦合后尚存在局部微小间隙的结果,可判定为无效数据。有限元模型在理想检测条件下模拟获得应力系数基本值,通过比较应力系数基本值和检测因素影响值,可以判断检测质量的优劣,减小应力系数标定数据的离散性,提高超声应力检测结果的可信度。关键词:应力系数;超声模拟;临界折射纵波;声弹性效应中图法分类号:TB551文献标识码:A文章编号:1000-310X(2024)02-0461-08DOI:10.11684/j.issn.1000-310X.2024.02.026Calibration and analysis of ultras
4、onic stress coefficient based onfinite element simulationSHUAI Zhuming1JIA Guangming2,3CHENG Zhiqiang1(1 School of Mechanics and Aerospace Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)(2 National Pipeline Network Group North Pipeline Co.,Ltd.,Langfang 065000,China)(3 Department of
5、Electrical Engineering and Applied Electronic Technology,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract:As the key link of ultrasonic stress detection,stress coefficient calibration directly determines theaccuracy of stress detection results.The traditional calibration of stress coefficient is se
6、nsitive to such factorsas surface roughness,coupling thickness and contact force between acoustic matching block and measuredobject.Coupled with the influence factors,it is more difficult to accurately calibrate the stress coefficient.This paper puts forward that the stress coefficient can be divide
7、d into two parts:the basic value reflectingthe acoustic elastic effect of materials and the value considering the influence of various detection factors.Amulti-physical coupling ultrasonic stress detection model was established based on finite element software.2022-10-06收稿;2023-02-07定稿国际科研资助项目(KCWO/
8、416/2006)作者简介:帅祝名(1998),男,四川自贡人,硕士研究生,研究方向:超声应力检测。通信作者 E-mail:4622024 年 3 月Different tensile loads were applied to calculate and analyze the relationship between the arrival time of criticalrefraction longitudinal wave and different stress values.The results show that the basic value of ultrasonic s
9、tresscoefficient of the simulated calibration 45#steel is 13.7 MPa/ns.Through four groups of uniaxial horizontaltensile tests,the influence values of test factors were calibrated as 1.0 MPa/ns,1.7 MPa/ns,2.8 MPa/nsand 6.8 MPa/ns,respectively.Under reasonable circumstances,the basic value of stress c
10、oefficient directlydetermines the value of stress coefficient,and the influence of test factors on the value of force system shouldbe small.The factor influence value of 6.8 MPa/ns is 49.6%of the basic value of 13.7 MPa/ns,which is beyondthe reasonable range.After observation,it is found that there
11、are small gaps in the sound matching block aftercoupling with the measured surface,which can be judged as invalid data.The finite element model simulatedthe basic value of stress coefficient under the ideal detection conditions.By comparing the basic value of stresscoefficient and the influence valu
12、e of detection factors,the quality of detection can be judged,the discretenessof stress coefficient calibration data can be reduced,and the reliability of ultrasonic stress detection results canbe improved.Keywords:Coefficient of stress;Ultrasonic simulation;Critical refraction longitudinal wave;Aco
13、ustic elastic effect0 引言超声应力检测属于无损检测,具有对人体无害、检测效率高的优点,在工业上有广泛应用,是最具潜力的无损检测方法之一13。在各种波形的应力检测中,临界折射纵波(Critically refractedlongitudinal wave,简称LCR波)应力检测的使用最为广泛。LCR波应力检测技术基于声弹性原理,建立声时差与应力变化量的关系,将其表现为应力系数。该系数与材料本身的性质相关,是LCR波应力检测的关键,直接决定检测结果的准确与否4。李玉坤等5设计一发两收探头,分析应力系数和零应力下飞行时间与温度的定量关系,得到了超声波测量应力的温度补偿公式并验证
14、其正确性。侯怀书等6利用静载试验标定了薄壁金属直缝圆焊管的声弹性系数,结果表明声弹性系数与焊管直径无关。何京波7对不同声程下的声时参数进行了标定,结果表明声程越大,应力系数越小。何祖娟等8研究了耦合状态、厚度以及热处理工艺对Q345钢超声检测应力系数的影响。于文广9考虑了两向应力状态,通过实验标定了几种常用管道材料弹性和塑性两个阶段的应力系数。严勇等10根据超声导波法测量螺栓轴向应力的基本原理,建立了简便有效的声速标定测试实验系统,通过实验分析了测试系统延时误差和温度误差对不同测试方法测量精度的影响。朱其猛11对A7N01铝合金焊接接头超声波法测试误差进行分析,单独制作焊接接头各区域的标定样,
15、定量分析焊缝、热影响区和母材区域微观组织差异性对超声测试应力系数的影响,使用各区域单独标定的应力系数对LCR测试结果修正,并与盲孔法测试结果对比,表明修正后结果具有更高的可靠性与精确度。以上各位学者对于超声应力检测应力系数的获取,主要采用试验标定方法,没有借助其他辅助方法。传统的应力系数试验标定对于被测物的表面粗糙度、耦合剂厚度、声匹配块与被测物接触力等因素十分敏感,仅表面粗糙度便可导致试验标定的应力系数成倍增加。由于缺少基本参照值,难以判断试验标定值是否有效。本文提出利用有限元软件来获取应力系数基本值,作为传统试验方法的补充,可以减小试验标定数据的离散性,提高超声应力检测结果的可信度。1LC
16、R波应力检测原理LCR波应力检测基于声弹性理论,该理论认为弹性波在有应力的固体材料中传播时,其传播速度与材料的密度、二阶弹性常数、高阶弹性常数和应力有关。在利用各种波型的应力检测中,传播方向平行于应力方向的LCR波对应力最为敏感12,其波速与应力的关系为13V2=+2+3+2+(4+10+4m)+2l,(1)式(1)中,为材料零应力状态下的密度,和为拉梅常数,l、m、n为Murnahan 三阶弹性常数,V 为传播方向平行于应力方向的纵波波速,为应力值大小。在式(1)的两边同时求导,即可得到波速变化与应力变化的关系式。由于波速的变化无法直接测得,故采用固定声程,测量由波速变化导致的时间变第43卷
17、 第2期帅祝名等:基于有限元模拟的超声应力系数标定及分析463化,即声时差。可以得到如下应力变化与时间变化的关系式:d=K dt.(2)此时:K=2V(3+2)(4+10+4m+2l 3 10 4m+2)L,(3)其中,L为收发探头中心间距,L=30 mm,K 为应力系数。可见,获取K 值的方式主要分为两种,一种是依照公式(2),得到应力变化量与时间变化量的关系,本文将通过试验和模拟两种方法来计算K 值。还有一种是通过公式(3),代入表1中各类参数直接计算K 值14,此时45#钢的应力系数通过直接计算为27.7 MPa/ns。由于直接计算值太过理想化,无法考虑波形转换、折射与反射以及不同波形之
18、间的相互干扰,与实际情况差别较大。结合已有学者通过试验得出的45#钢应力系数值15,直接计算的值与试验标定值存在较大误差,故在现场检测时一般不使用该方法来获取应力系数值。表145#钢Murnahan材料参数Table 1 45#steel Murnahan material pa-rameters参数lmn值/GPa179496628791202 应力系数模拟标定2.1有限元模型如图1所示,建立一块各向同性钢板,钢板长度为70 mm,厚度为9 mm,钢板两端区域设置为完美匹配层,旨在模拟半无限大空间。钢板上部是材质为有机玻璃的声匹配块,超声发射和接收的探头固定于声匹配块上。声匹配块的斜面法线与
19、竖直方向的夹角通过Snell定律计算得出,约为27。声匹配块上部为压电晶片,选用软件内置材料PZT-5H。2.2网格划分不同的波以不同的速度传播并具有不同的波长,频率一定时,传播速度最慢的波具有最短的波长,故以此来定义网格尺寸的长度比例。有限元模型中所用材料横纵波波速如表2所示。?45#?-0.03-0.02-0.02-0.01-0.01000.010.010.020.020.03图1有限元模型示意图Fig.1 Schematic diagram of finite element model表2材料波速Table 2 Material wave velocity材料名称纵波波速/(ms1)横
20、波波速/(ms1)45#钢59203250有机玻璃27301080PZT-5H46201750考虑计算时采用四阶单元,每个波长仅需要约1.5个网格单元即可解析波。故将最大单元大小定义为hmax=cmin/(fmax 1.5),(4)式(4)中,fmax是传播信号中需要求解的最大频率分量,与检测仪器所使用频率保持一致,取fmax=5 MHz;cmin为传播速度最慢的波的波速,根据表1,cmin取值为各自材料中的横波波速。有机玻璃和45#钢中采用自由三角形网格,压电晶片采用映射网格,并在45#钢中靠近有机玻璃的局部区域进行了网格加密。在此定义下的网格划分图如图2所示。-0.03-0.02-0.01
21、00.010.020.03-0.0100.010.02图2网格划分Fig.2 Grid division2.3稳态与瞬态计算根据超声应力检测的具体过程,可以将其分为两个部分:一是被测物体在外载荷的作用下发生静态有限形变,二是超声波的小扰动叠加物体的静态4642024 年 3 月有限形变。基于此思路,将一个研究分为两个研究步骤:一是稳态计算,该步骤进行45#拉伸模拟,将钢板一端固定,一端施加压力,使钢板内部产生均匀应力场;二是瞬态计算,在压电晶片上施加交变电压激发超声波,模拟超声波的发射、传播和接收,得到LCR波到达时刻。稳态计算和瞬态计算通过如图3所示的电路进行控制。?PZTV1V2?2?1?
22、V1?V2?0?1?2图3控制电路Fig.3 Control circuit该电路由两个电压源、一个电阻和超声换能器组成。在有限元分析软件的电路模块中,各个元器件通过节点接入到电路中,接地节点作为零电位参考点。该电路需要如图3所示的3个节点,节点0 为接地节点,超声换能器通过外部终端的方式接入电路进行耦合,电阻的作用主要是隔离接地节点与外部终端的直接相连,使得外部终端(节点1和节点2)获得稳定的电压值。两个电压源中,V1为恒压源,其值设定为0;V2为经汉宁窗调制的正弦电压信号,其激励函数如下:f(t)=200exp(2(t 2T0)T0sin2f0t),(5)式(5)中,T0、f0分别为超声波
23、的周期与频率,f0=5 MHz。绘制10个周期长度的激励函数图像如图4所示。012-200-1000100200?/ms图4激励函数图像Fig.4 Excitation function graph模拟时先进行稳态计算,这时闭合开关1,断开开关2,通过固体力学模块,施加图1所示的固定约束和载荷边界,模拟45#钢的拉伸试验。稳态计算完成后进行瞬态计算,这时闭合开关2,断开开关1,通过静电物理场在压电晶片上施加上述的交变电压信号,模拟超声波的发射、传播和接收。由于在同一个研究中既有稳态计算又有瞬态计算,故将不同的计算模块耦合到同一电路中,通过开关的控制将两种不同类型的计算区分开来,就可以避免由于载
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