楊宇清* 蔚道祥
(上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院)
玻璃鋼材料具有比模量高、比強(qiáng)度高以及質(zhì)量輕等優(yōu)良特性,其密度比碳鋼要小很多,為碳鋼的20%~25%,有利于運(yùn)輸和安裝,同時(shí)具有很高的機(jī)械強(qiáng)度,拉伸強(qiáng)度和抗彎曲性能甚至超過了一些合金材料,玻璃鋼中含有玻璃纖維可以增強(qiáng)材料的剛度和強(qiáng)度[1]。由于玻璃鋼材料具有以上優(yōu)良特性,目前被廣泛應(yīng)用于航空航天、大型風(fēng)電葉片等領(lǐng)域,同時(shí)玻璃鋼材料的應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大,如應(yīng)用在石油管道、交通運(yùn)輸、天然氣汽車和電動(dòng)汽車等行業(yè)中[2-3]。玻璃鋼在日常生活中也較為常見,如吸塵器、玻璃鋼浴缸、玻璃鋼釣魚竿等,不僅環(huán)保而且成本低。隨著玻璃鋼技術(shù)不斷發(fā)展和自身良好的優(yōu)越特性,玻璃鋼在各個(gè)領(lǐng)域都具有良好的應(yīng)用前景,其應(yīng)用范圍將會(huì)越來越廣[4]。
玻璃鋼材料也存在一些問題和缺點(diǎn),在玻璃鋼中加入一些纖維有助于提高復(fù)合材料的力學(xué)性能,但制作工藝過程中的穩(wěn)定性和組分的多樣性等[5-7]原因,都可能導(dǎo)致玻璃鋼材料出現(xiàn)缺陷(如夾雜、分層、空隙、纖維分布不均勻等),若材料中出現(xiàn)缺陷,那么玻璃鋼材料的斷裂韌性、延展性、抗蠕變損傷能力和疲勞壽命都會(huì)降低[8-9]。近年來,國內(nèi)外學(xué)者一直致力于研究玻璃鋼材質(zhì)的聲發(fā)射檢測。由于玻璃鋼材料具有各項(xiàng)異性特點(diǎn),超聲波在玻璃鋼中傳播情況較為復(fù)雜,這給玻璃鋼材料的檢驗(yàn)檢測工作帶來了一定困難。在實(shí)際應(yīng)用中,不同應(yīng)用場合下玻璃鋼材料厚度是不同的,對(duì)其進(jìn)行超聲檢測時(shí),需要了解厚度對(duì)聲學(xué)特性的影響,還要選擇合適的探頭頻率,明確檢測頻率和材料方向?qū)β晫W(xué)特性的影響,從而對(duì)材料進(jìn)行全面檢測。故本文利用ABAQUS 有限元仿真軟件探究與纖維呈不同角度、玻璃鋼厚度、檢測頻率對(duì)超聲波傳播的影響,為后續(xù)玻璃鋼聲發(fā)射檢測技術(shù)提供參考。
玻璃鋼的應(yīng)用場合不同時(shí),其厚度也不同,在進(jìn)行超聲檢測時(shí),需了解玻璃鋼厚度對(duì)聲學(xué)特性的影響,以便于設(shè)置檢測參數(shù)。針對(duì)該問題,分別選取3,6,9 mm 厚度的玻璃鋼模型進(jìn)行仿真模擬,其中纖維鋪設(shè)角度為0°,頻率分別為500 kHz 和600 kHz,仿真參數(shù)及結(jié)果可見表1。將仿真結(jié)果繪制成折線圖,如圖1 所示。
由圖1 可知,在500,600 kHz 這兩種檢測頻率條件下,隨著玻璃鋼復(fù)合材料板厚增大,超聲波聲速變大。由表1 中的超聲波峰值可知,隨著玻璃鋼材料厚度增大,聲速也隨之增大,同時(shí)超聲波衰減也不斷增大。
表1 不同厚度的數(shù)值仿真結(jié)果
圖1 不同厚度對(duì)應(yīng)的聲速折線圖
本部分主要探究玻璃鋼板與纖維呈不同角度時(shí)的超聲波傳播特性。選取0°/90°交替鋪層纖維方式,建立有限元仿真模型時(shí),將插件中鋪層角度設(shè)置成為0°/90°交替鋪層,其中每層的厚度設(shè)置為0.5 mm,共鋪設(shè)12 層,所以玻璃鋼板的厚度為6 mm,激勵(lì)為中心頻率為500 kHz 的調(diào)制正弦信號(hào),固定分析信號(hào)的距離中心點(diǎn)為100 mm,分別在方向?yàn)?°,30°,45°,60°,90°處設(shè)置分析信號(hào)點(diǎn)。圖2 所示為對(duì)應(yīng)的場輸出圖部分截圖,仿真結(jié)果如表2 所示。將仿真結(jié)果繪制成折線圖,如圖3 所示。
圖2 場輸出的動(dòng)態(tài)截圖
表2 不同方向的數(shù)值仿真結(jié)果
圖3 不同方向時(shí)對(duì)應(yīng)的聲速
由圖3 可知,0°和90°是沿纖維方向,聲速明顯大于其他方向,且45°方向聲速最小,可知沿著纖維方向聲速較大;根據(jù)表2 中的峰值可知,沿著纖維方向的衰減要大。
由于玻璃鋼材料衰減較大,檢測頻率對(duì)超聲波衰減影響較大,為了探究檢測頻率對(duì)超聲波在玻璃鋼材料中傳播特性的影響,選取3 ,6 mm 兩種厚度規(guī)格玻璃鋼試塊,檢測頻率為500,600,700 kHz 時(shí)的聲速情況,其他檢測參數(shù)均相同。仿真參數(shù)及檢測結(jié)果如表3 所示,將仿真結(jié)果繪制成折線圖,如圖4 所示。無論是在3 mm 的玻璃鋼試塊,還是在6 mm 玻璃鋼試塊中,當(dāng)檢測頻率增加時(shí),聲速也隨之變大,由表3 中的峰值可知,當(dāng)頻率變大時(shí),衰減也不斷變大。
本文采用ABAQUS 有限元軟件建立了玻璃鋼復(fù)合材料的有限元數(shù)學(xué)模型,從理論上研究了超聲波在玻璃鋼復(fù)合材料中的傳播機(jī)理,分別對(duì)不同玻璃鋼厚度,不同檢測頻率,不同檢測方向這3 個(gè)參數(shù)來研究超聲波的傳播特性,并得出了以下結(jié)論。
表3 不同頻率的數(shù)值仿真結(jié)果
圖4 不同頻率對(duì)應(yīng)的聲速
(1)玻璃鋼試驗(yàn)厚度不同時(shí),超聲波的聲速隨著板厚增加而變大;當(dāng)板厚和聲速都變大時(shí),超聲波衰減也不斷變大。
(2)使用不同檢測頻率時(shí),超聲波的傳播聲速隨著檢測頻率的增加而不斷變大;當(dāng)頻率和聲速不斷變大時(shí),超聲波衰減也不斷變大。
(3)檢測點(diǎn)與玻璃纖維呈不同角度時(shí),超聲波在沿纖維方向傳播速度要明顯比非纖維方向更快,其中在與纖維呈45°方向時(shí)聲速最小,但是在沿纖維方向的衰減也比非纖維方向更大。