劉藺慧，陳友興，王召巴

(中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051)

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基于COMSOL的超聲脫粘檢測定量評判研究

劉藺慧，陳友興，王召巴

(中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051)

本文利用有限元分析軟件COMSOL建立脫粘檢測仿真模型，研究了建模過程中幾何建模、 網(wǎng)格劃分、 求解、 后處理等問題，得到了與實驗相似的仿真模型. 通過仿真回波信號、 聲壓圖，分析了脫粘檢測中超聲波的發(fā)射，傳播和接收過程. 通過改變模型參數(shù)，分析了脫粘長度、 激勵源尺寸對回波信號的影響，并建立了回波幅值與脫粘長度的關系模型，為脫粘檢測定量評判提供了理論依據(jù)和參考模型.

脫粘檢測； 脈沖回波法； 有限元法； 定量檢測； 超聲檢測

界面粘接結構廣泛應用于航空航天、 汽車等領域，材料粘接界面脫粘往往對整體結構造成致命威脅，使材料和產(chǎn)品的使用安全存在重大隱患. 因此，多年來粘接結構無損檢測得到了廣泛的研究[1-3]. 隨著工業(yè)技術的發(fā)展，定性分析已經(jīng)不能滿足要求，定量分析成為了研究熱點[4]. 本文利用有限元分析軟件COMSOL，建立鋼/橡膠脫粘結構模型，進行數(shù)值分析，為脫粘檢測定量分析提供理論依據(jù)，具有一定的實際意義.

1 超聲脫粘檢測原理與方法

超聲脫粘檢測的基本原理如圖 1 所示，當探頭置于被測面上面，發(fā)出超聲脈沖經(jīng)過耦合進入被測試件，如果試件好粘(如位置1)，脈沖波可以一直傳到試件底部，只有少數(shù)在兩界面處發(fā)生反射，如果試件底面光滑，按照反射原理脈沖波將被底面反射回探頭1. 好粘時檢測到的典型回波示意圖[5]如圖2(a)所示，T表示始波，F(xiàn)表示兩界面處反射回來的波，可以看到好粘時F波幅值很小.B波表示由底面反射回來的波，T波和B波波峰的間隔為脈沖波從探頭傳到底面，再由底面返回探頭的時間.

如果脫粘，脈沖波在脫粘位置大部分發(fā)生反射，少部分發(fā)生透射，傳到試件底部再反射回來. 脫粘時檢測到的典型回波示意圖如圖2(b)所示，可以看出F波的波峰要明顯比好粘時大，故由F波波峰高度可以判斷是否脫粘和脫粘的大小. 本文將研究F波的波峰高度與脫粘長度的具體關系.

圖 1 超聲脫粘檢測原理圖Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic detecting of debonding

圖 2 典型回波圖Fig.2 Typical echo signal

2 仿真模型

2.1 界面脫粘模型

選擇常見的鋼/橡膠脫粘結構，在COMSOL中建立仿真模型，如圖 3 所示.

圖 3 仿真模型圖Fig.3 Simulation model

鋼層長60 mm，厚度10 mm，橡膠層長60 mm，厚度4 mm，脫粘部位厚度0.5 mm，長度10 mm. 材料屬性如表 1 所示.

表 1 材料屬性表

超聲激勵源為高斯脈沖函數(shù)，如式(1)，其中f0為超聲脈沖的中心頻率，此次試驗設為4 MHz，A為信號幅值.

y(t)=A×cos(2πf0t)×exp[-2π2(t-1)2].

(1)

激勵源加在模型上表面中央位置上，長度為2 mm. 最大網(wǎng)格單元尺寸

式中：λ為聲波波長，其中N不得小于5，N值和f0越大，單元尺寸越小，網(wǎng)格越精密，同時計算時間也越長[6-8]，此處取N=8.

2.2 聲波傳播過程及回波分析

選擇瞬態(tài)求解器，為了看到聲波傳播一個來回的情況，求解時間設為10 μs，根據(jù)頻率，設定合適的求解步長.

圖 4 聲壓圖Fig.4 Sound pressure map

圖 5 好粘與脫粘回波對比圖Fig.5 Comparison of debonging and undebonding echo signal

圖 4(a) 圖與圖 4(b) 分別為聲波在好粘和脫粘模型中的傳播圖，當聲波傳到兩界面交接處時，好粘模型中聲波在界面交界處發(fā)生了透射和反射，透射聲波聲壓比界面反射聲壓大； 脫粘模型中聲波發(fā)生了全反射，反射回來的即為缺陷回波.

為了避免端面影響，采集距端面0.5 mm處的回波信號如圖 5 所示. 可以看出，好粘模型的一界面回波幅值要明顯比底波幅值小，脫粘模型情況相反. 讀取圖中數(shù)據(jù)，始波和一界面回波的時間差為3.6 μs，聲波傳播距離為19 mm，求得聲速為5 277.8 m/s，接近實際聲速5 200 m/s. 綜上可以驗證此仿真模型正確.

3 仿真結果分析

3.1 一界面回波幅值隨脫粘長度變換規(guī)律

采用2.1建立的模型在不改變其他參數(shù)的情況下，仿真不同脫粘長度下的回波信號. 設置脫粘長度為1 mm～10 mm，間隔為1 mm. 圖 6 為脫粘長度為2 mm，4 mm，6 mm，8 mm，10 mm模型的回波信號對比圖，不同脫粘長度一界面回波出現(xiàn)時間和波形相同，只是峰值不同.

為了研究不同激勵源下的缺陷波幅值隨脫粘長度的變化，設V脫粘為脫粘模型一界面回波幅值，V好粘為好粘模型一界面回波幅值，定義相對缺陷幅值

經(jīng)過仿真實驗，得到了不同激勵源長度下，D值與脫粘長度l的關系，如圖 7 所示，可以看出，無論使用任何尺寸的激勵源，脫粘長度小于8 mm時，相對缺陷幅值隨脫粘尺寸的增大而增大，而且變化很大，這是由于脫粘長度越長，在界面處發(fā)生反射的聲波范圍越大，回波峰值也就越大. 當脫粘長度超出8 mm，回波幅值基本不隨脫粘長度的變化而變化，因為當脫粘長度超出了聲束直徑(由激勵源尺寸決定)，大部分能量都被脫粘區(qū)域反射.

圖 6 不同脫粘長度回波對比圖Fig.6 Comparison of echo signal of different debonding length

圖 7 相對缺陷幅值與脫粘長度關系圖Fig.7 Relationship between relative magnitude of defect and the debonding length

3.2 相對缺陷幅值與脫粘長度關系模型

圖 8 擬合結果圖Fig.8 Fitting result

對不同尺寸激勵源下的相對缺陷幅值與脫粘長度數(shù)據(jù)進行函數(shù)擬合，經(jīng)多次實驗比較，發(fā)現(xiàn)用傅立葉函數(shù)擬合效果好，擬合函數(shù)式為

D=a0+a1cos(lω)+b1sin(lω)+a2cos(2lω)+b2sin(2lω).

(4)

1 mm～10 mm激勵源下的擬合相關系數(shù)均為1，方差的數(shù)量級均為10的負5次方，擬合效果良好. 擬合結果如圖 8 所示.

4 結 論

本文采用有限元分析軟件COMSOL建立了鋼/橡膠粘接仿真模型，通過仿真回波信號和聲壓圖，分析了脫粘檢測中超聲的傳播過程和規(guī)律. 結果表明： 利用COMSOL軟件分析研究脫粘檢測是可行的，缺陷幅值與脫粘長度直接存在數(shù)量關系，可以依據(jù)此關系進行脫粘檢測定量分析.

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Quantitative Evaluation Research of the Ultrasonic Detecting of Debonding Based on COMSOL

LIU Linhui, CHEN Youxing, WANG Zhaoba

(National Key Lab for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China)

To study the assessment Method of ultrasonic debonding quantitative, in this paper, the simulation model is built with finite element analysis software COMSOL. And the problem of geometric modeling, meshing, solving and post processing are studied.The process of emission , propagation and reception of ultrasonic waves was analyzed by simulating echo signal and the sound pressure maps．Meanwhile,by changing parameters of model ,the influence of debonding length and the size of the excitation source was anlyzed. Then the relationship model between echo signal amplitude and debonding length was established,which provides a theoretical basis for quantitative evaluation of defect .

detecting of debonding; pulse-echo method; finite element method; quantitative detection; ultrasonic detect

1671-7449(2016)06-0467-04

2016-05-21

國家自然科學基金資助項目(61201412)

劉藺慧(1990-)，女，碩士，主要從事超聲無損檢測，信號與信息處理的研究.

TB551

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2016.06.002