盧　超，盛華吉，宋　凱，林俊明，何方成

(1.南昌航空大學 無損檢測教育部重點實驗室， 南昌 330063；2.愛德森(廈門)電子有限公司， 廈門 361003；3.中航工業(yè)北京航空材料研究院， 北京 100095)

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鋼軌軌底斜裂紋的超聲導波散射特性

盧超1，盛華吉1，宋凱1，林俊明2，何方成3

(1.南昌航空大學 無損檢測教育部重點實驗室， 南昌 330063；2.愛德森(廈門)電子有限公司， 廈門 361003；3.中航工業(yè)北京航空材料研究院， 北京 100095)

摘要：鋼軌軌底斜裂紋的超聲導波散射特性是超聲導波檢測鋼軌軌底技術的基礎。首先對鋼軌軌底導波傳播特性及激發(fā)頻率對導波散射特性的影響進行了數(shù)值分析，再進一步基于ABAQUS軟件建立了鋼軌軌底不同角度斜裂紋散射特性的有限元模型，對橫向振動模態(tài)和垂直振動模態(tài)下鋼軌軌底不同角度斜裂紋的散射特性進行了分析。數(shù)值分析和波場快照顯示，橫向振動模態(tài)較垂直振動模態(tài)下超聲導波在鋼軌軌底斜裂紋上的頻散相對嚴重，垂直振動模態(tài)下導波檢測鋼軌斜裂紋效果更好，為后續(xù)鋼軌軌底導波檢測試驗提供了理論基礎。

關鍵詞：鋼軌；導波；頻散曲線；無損檢測

火車對鐵道上鋼軌的長期沖壓會使軌道軌底產生微小裂紋，從而影響行車安全。斜裂紋、核傷(軌頭橫向疲勞裂紋)和腐蝕是鋼軌軌底最常見，同時也是危害最大的缺陷[1]。在軌道線路上對此三類缺陷進行在線檢測比較困難。目前國內外主要使用軌道探傷車及軌道探傷裝置對其實施檢測，由于鋼軌探傷車的探頭輪裝置放置于鋼軌軌頭踏面，激勵信號只能檢測出鋼軌中心軸±10 mm范圍內的缺陷，該范圍以外的軌底兩側邊沿區(qū)域不能被檢測到，因而鋼軌軌底缺陷成為檢測的盲區(qū)。采用目前的超聲檢測技術無法對實際線路鋼軌軌底板缺陷進行準確而快速的檢測，因此有必要研究出新的檢測方法。

超聲導波檢測技術具有一觸即發(fā)、長距離、大范圍傳播、檢測快捷高效等特點。了解導波的意義、導波模態(tài)[2],并對波結構進行分析是選擇和激發(fā)檢測波模式的重要依據。ZUMPANO等采用商用的ABAQUS平臺對導波在鋼軌中的傳播進行了有限元仿真研究[3]，但該研究主要針對軌道軌頭部分的缺陷，并未對軌底的超聲導波傳播模式和導波模式特征進行分析。WILCOX[4]，CAWLEY[5]等應用導波檢測方法對埋在鐵路和公路交叉道路口中鋼軌軌底的腐蝕缺陷進行了在線檢測。HAYASHI[6-7]和MIYAZAKI[8]等采用半解析有限數(shù)值法對日制JIS50型自由狀態(tài)鋼軌軌底中的導波進行了研究，分析得出在不同的激勵方式作用下導波有三類模態(tài)：橫向振動模態(tài)、垂直振動模態(tài)[9]和縱向振動模態(tài)，每種振動模態(tài)含有多種導波模式，對導波傳播模式的簡化有利于分析與研究。

筆者以國內高速鐵路鋪設的鋼軌為研究對象，利用有限元軟件ABAQUS對其進行模擬仿真，研究鋼軌軌底中超聲導波對不同角度斜裂紋的散射特性。將激發(fā)探頭放在軌底左側一端的表面處，在軌底激發(fā)不同振動模式的導波。對鋼軌軌底中不同振動模式導波的波包形狀特征以及激發(fā)頻率、周數(shù)等因素進行了研究，通過改變軌底斜裂紋的角度來獲取檢測信號，利用波包幅值以及波場快照分析缺陷幾何特征對軌底導波檢測的影響和軌底導波的散射特性。

1鋼軌軌底中的導波傳播特性

頻散和多模式是固體超聲波傳播的兩個主要特性。鋼軌軌底截面的幾何形狀不規(guī)則，通過數(shù)值方法可以得出導播傳播特性的頻散曲線和不同導波的傳播模式。由于鋼軌截面尺寸的差異，不同型號的鋼軌所對應的導波的頻散曲線和各模式導波的截止頻率也不同。圖1是鋼軌截面的主要幾何尺寸。

圖2　軌底導波的不同模態(tài)波結構

日本名古屋理工學院的HAYASHI結合半解析有限元的方法，應用RAIL DISPERSION軟件得出如圖2所示的0～200 kHz頻率范圍內鋼軌軌底中的橫向振動模態(tài)、垂直振動模態(tài)和縱向振動模態(tài)導波的頻散曲線。由圖可以看出,隨著頻率的增加，軌底中的各種振動模態(tài)中的導波模式數(shù)不斷增加。對于縱向振動模態(tài)，群速度頻散曲線比較混亂且不利于檢測，而橫向振動模態(tài)和垂直振動模態(tài)在60～200 kHz頻率范圍內頻散曲線比較平緩，呈現(xiàn)較好的頻散特性，可作為后續(xù)激勵檢測模式的研究。

由圖3看出，隨著脈沖周期數(shù)的增加，頻帶寬度越小，信號的頻散特性越好，則傳播能量越集中，聲波傳播距離就越遠，有利于信號的傳播。

從鋼軌軌底群速度頻散曲線可以看出,在鋼軌軌底中存在傳播的多種導波模式，這些模式基本都具有頻散特性；各種導波模式的頻散隨著激發(fā)脈沖周數(shù)的不同而不同。為分析激勵脈沖周期數(shù)對軌底導波檢測的影響，需要定義導波波包的寬度和幅度[9]。采用有限元軟件ABAQUS仿真模擬得出信號數(shù)據，繪制出兩種模態(tài)下波包幅值和寬度關系曲線，見圖4。

圖3　漢寧窗函數(shù)調制120 kHz不同周期數(shù)的正弦激勵信號

圖4　軌底橫向振動模態(tài)和垂直振動模態(tài)的脈沖周期數(shù)與波包幅值和寬度關系曲線

由此看出數(shù)值模擬時，對于橫向振動模態(tài)，在頻率為60～200 kHz范圍內，脈沖周期數(shù)為4,6,8,10周時，波包幅值都較大，相應的波包寬度較??；對于垂直振動模態(tài)，在頻率為60～200 kHz范圍內，脈沖周期數(shù)為4,6,8,10周時，波包幅值也都較大，但相應的波包寬度也較大。故兩種模態(tài)選取激發(fā)頻率為120 kHz內,脈沖激發(fā)周數(shù)為10時，波包幅值比較大的同時，波包幅度也得到兼顧。

2試驗方法和結果

以實驗室現(xiàn)有的鋼軌為樣品建立如圖5所示的鋼軌模型,模型總長度1 600 mm,在軌底中間切割長15 mm，寬1 mm，深14 mm的不同角度(30°，60°，90°，120°，150°)的斜裂紋。在鋼軌軌底的左側端面施加橫向振動模態(tài)和垂直振動模態(tài)的激勵信號，接受模式為自發(fā)自收。模型材料為鋼，楊氏模量E為210 GPa，密度ρ為7.85 g·cm-3，泊松比ν為0.32。為了減少單元數(shù)目,節(jié)省計算資源的同時提高精度，模型中分別采用了邊長為4 mm和2 mm的六面體C3D8R單元。

圖5　鋼軌模型

當斜裂紋角度為60°時，鋼軌軌底中兩種振動模態(tài)下用超聲導波測得回波信號,STFT(短時傅里葉變換)時頻分布如圖6所示。橫向振動模態(tài)下導波傳播一段距離后到達缺陷處的位置能量很少，頻散嚴重；但垂直振動模態(tài)下導波的缺陷波和端面回波能量都較大，清晰可見。時頻分布圖中的不同形狀等高線間接反映了該模式導波的頻散特性和能量衰減。

圖7為橫向振動模態(tài)下60°斜裂紋導波軌底傳播波場快照圖，圖8為垂直振動模態(tài)下60°斜裂紋導波軌底傳播波場快照圖。由圖7可知,對于橫向振動模態(tài)，在約300 μs時刻,始波到達斜裂紋缺陷處發(fā)生作用，產生反射回波和透射波;在約450 μs時刻透射波比較弱;到達約750 μs時刻透射波經右端面產生的端面反射回波很弱，能量損耗很大，頻散較嚴重;在900 μs和1 200 μs時刻斜裂紋反射回波和右端面反射回波被接收到。由圖8可知,對于垂直振動模態(tài)，約300 μs時刻始波到達斜裂紋缺陷處發(fā)生作用，產生反射回波和透射波;在約450 μs時刻一部分透射波沿著軌底向端面?zhèn)鞑?到達750 μs時刻經過右端面得到端面反射回波;在900 μs和1 200 μs時刻斜裂紋反射回波和右端面反射回波被接收。從以上兩種振動模態(tài)的波場快照圖可以看出，橫向振動模態(tài)相對垂直振動模態(tài)下導波在軌底傳播過程中頻散較嚴重，檢測效果沒有垂直振動模態(tài)好。

圖6　橫向振動模態(tài)和垂直振動模態(tài)下的缺陷波信號及時頻分布

圖7　橫向振動模態(tài)下60°斜裂紋波場快照

同樣，對在不同裂紋角度時獲取的缺陷信號數(shù)據進行分析，得出斜裂紋缺陷反射回波幅值和不同角度的對應關系，如表1和圖9所示。

表1　軌底兩種振動模態(tài)下的缺陷波包幅值

圖8　垂直振動模態(tài)下60°斜裂紋波場快照

圖9　兩種振動模態(tài)下斜裂紋角度-波包幅值曲線

由圖9可知，斜裂紋角度在30°～90°范圍時，隨著角度的增加，裂紋缺陷回波幅值也隨之變大；在角度為90°～150°范圍時，斜裂紋角度越大，相應的缺陷回波幅值越小?？傮w上，在斜裂紋為不同角度情況下，相對于垂直振動模態(tài)，橫向振動模態(tài)在鋼軌軌底傳播時衰減較大，在斜裂紋處存在較多的能量損失，而且缺陷回波幅值較小。說明對于不同角度斜裂紋缺陷檢測時，垂直振動模態(tài)檢測效果要比橫向振動模態(tài)效果好。

3結語

研究超聲導波在鋼軌軌底中的傳播特性,為垂直振動模態(tài)和橫向振動模態(tài)兩種模態(tài)方式應用于實際鋼軌軌底斜裂紋缺陷檢測提供了理論性的指導。筆者主要對無約束自由狀態(tài)下鋼軌軌底導波傳播特性進行了研究，選擇合適的激勵頻率、脈沖周期數(shù)，采用有限元方法對鋼軌軌底斜裂紋缺陷進行了數(shù)值模擬；從鋼軌軌底中的導波傳播頻散曲線可以看出，橫向振動模態(tài)和垂直振動模態(tài)適用于軌底缺陷檢測，而縱向振動模態(tài)頻散曲線分散，不適用于檢測。同時超聲導波在軌底傳播的波場快照圖和兩種振動模態(tài)下斜裂紋不同角度波包幅度關系曲線顯示，橫向振動模態(tài)相對垂直振動模態(tài)超聲導波在軌底傳播過程中頻散較嚴重，垂直振動模態(tài)檢測效果更好。

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Ultrasonic Guided Wave Scatterting Characteristics of Rail Base Oblique Cracks

LU Chao1, SHENG Hua-ji1, SONG Kai1, LIN Jun-ming2, HE Fang-cheng3

(1.Key Lab of Nondestructive Testing,Ministry of Education,Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063,China;2.Eddysun (Xiamen) Electronic Co., Ltd., Xiamen 361003, China;3.Avic Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)

Abstract：The research on ultrasonic guided wave scattering characteristics on rail base oblique cracks is the basis of the appropriate guided wave detection technology. This paper includes numerical analysis result of the guided wave propagation characteristics on rail base and the effects of different excitation frequency on it. Based on ABAQUS software, a finite element model of the rail base is established at different angles, which is used to analyze scattering characteristics of transverse and vertical vibration mode wave in the rail base at different angles .The numerical analysis results and wave field simulation snapshots show that frequency dispersion phenomenon of transverse vibration mode wave on rail base oblique cracks is more obvious than that of vertical vibration mode. It is therefore the vertical vibration mode rather than the transverse one that can give better detection effect. This study also provides a theoretical basis for the subsequent rail base guided wave detection experiments.

Key words:Rail; Guided wave; Frequency dispersion curve; Nondestructive testing

收稿日期：2015-11-06

基金項目：江西省自然科學基金資助項目(20114BAB20200B)

作者簡介：盧超(1971- ), 男, 教授, 主要從事固體聲學及超聲檢測研究工作。通信作者:盛華吉(1991-),男,碩士,E-mail: a2241964569@163.com。

DOI:10.11973/wsjc201605005

中圖分類號：TG115.28

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6656(2016)05-0018-05