薛慧玲 戚青麗 杜文華

(①中北大學機械工程學院,山西 太原 030051；②中國特種設備檢測研究院,北京 100029；③清華大學電機系，北京 100084)

關鍵字:超聲SH導波;缺陷檢測;雙層板搭接;有限元法

雙層鋼板搭接結構因腐蝕發(fā)生裂紋等缺陷是工程中常見的問題，其對社會公共安全造成巨大隱患。在工程實踐中缺陷常被鋼板覆蓋和焊縫包圍，對檢測工作造成很大程度的干擾，使得無法通過視覺等方法直接檢測。因此，研究SH導波雙層鋼板搭接區(qū)域內缺陷檢測的有限元仿真具有重要意義。劉涵等人[1]通過OPTICS算法獲得了石油鋼管焊縫各種形狀大小的缺陷，但識別準確率較低。陳本智等人[2]將厚鋼管焊縫圖像中氣孔缺陷分割出來，但無法將其他類型缺陷進行分割。焦敬品等人[3]結合BP神經(jīng)網(wǎng)絡可對內焊縫表面缺陷進行識別，但識別率有待提高。上述文獻通過圖像處理的方式對缺陷、焊縫進行檢測，但是只能檢測存在于表面的缺陷，對于搭接區(qū)域內部缺陷卻無法檢測。朱新杰[4]等人運用超聲SH導波對TLB型復雜焊接結構進行檢測，在檢測距離4 m內信號較明顯，但是搭接焊縫及搭接頭有較大的線性尺度，聲波散射嚴重。J. Ma等人[5]研究了板中橢圓形缺陷對SH0模態(tài)的脈沖回波反射特性，缺陷的兩個邊緣的反射對信號干擾強烈。黃松嶺團隊[6-7]通過制作全向性導波探頭，分別對Lamb波和SH導波在板中缺陷檢測進行研究，但檢測波形較為復雜，Lamb波模態(tài)識別困難。文獻[4-7]的研究表明，超聲Lamb波、SH導波在傳播過程中存在著聲場變化，以及與人工缺陷的相互作用；當板材存在焊縫結構時，上述情況會變得更加復雜。遲大釗等人[8-9]對搭接焊縫的X射線數(shù)字化圖像進行分析，只對搭接焊縫中氣孔類體積缺陷有良好檢測效果。Yamba P等人[10]對搭接焊縫駝峰狀缺陷的產生進行研究，表明焊縫回流流向是主要因素。李陽等人[11]研究了Lamb波在搭接焊縫上的反射和透射，表明反射系數(shù)與焊縫寬度之間呈近似線性關系。在研究板材搭接結構時，文獻[8-11]將研究目光集中于搭接焊縫，沒有考慮搭接區(qū)域內的缺陷對板材性能的影響。

本文基于COMSOL多物理場仿真平臺，建立雙層鋼板搭接結構三維模型，通過在板邊緣加載位移激勵的方式激勵單一模態(tài)SH0導波，并監(jiān)測搭接區(qū)域外某點回波信號強度，從而研究SH0模態(tài)導波在搭接結構中的傳播特性，并研究SH0導波對不同長度裂紋缺陷的檢測。

1 SH0模態(tài)導波在雙層鋼板搭接結構中的傳播特性

對于零階SH模態(tài)的導波(即SH0導波)，其波結構簡單，波型轉換少，單模態(tài)激勵較易，板材表面有無液體、污物等對其傳播影響不大。在厚2 mm的鋼板中，激勵頻率為250 kHz條件下，SH0模態(tài)導波群速度為3 200 m/s。如圖1所示，導波激勵選取經(jīng)過高斯窗調制的5.5周期激勵信號，表達式為

f(t)=A(1-cos(2πft/n))cos(2πft)

(1)

式中：A=0.5，激勵函數(shù)幅值；f=250 kHz，激勵頻率；n=5.5，周期數(shù)。

在Comsol中建立雙層鋼板搭接三維模型，如圖2所示，主體鋼板尺寸為100 mm×300 mm×2 mm，上表面焊接有一塊60 mm×160 mm×2 mm的鋼板，中心位置距主鋼板中心位置40 mm，激勵區(qū)域設置在主鋼板左端，布局采用居中對稱模式。為了減小計算量，此處假設焊縫高度無限小，即用兩塊板相接觸的交線(圖2中粗實線)作為焊縫。

采用自由四面體網(wǎng)格對模型進行網(wǎng)格劃分，在激勵區(qū)域施加沿y軸方向的位移載荷激勵信號(由SH導波傳播過程中，質點沿y軸方向振動決定)，設置探針P(-93, 0, 0)，用以查看y方向上位移，最后設置求解器并對模型進行求解。在后處理中查看SH0模態(tài)導波任意時刻的位移云圖和探針P點處的位移—時間曲線。

分別模擬t=32 μs和t=52 μs時，SH0模態(tài)導波傳播的位移云圖，如圖3所示。不同時刻SH0導波傳播的位移云圖仿真結果表明，鋼板雙側吸收邊界對反射波吸收良好，并無反射波產生，在經(jīng)過焊縫后，導波發(fā)生反射現(xiàn)象和透射現(xiàn)象，但無模態(tài)轉換和頻散現(xiàn)象發(fā)生，說明SH0模態(tài)導波模式純凈，與理論吻合。

探針P點處的位移—時間曲線，如圖4所示，探針P點處接收到的主要有四種信號，分別是直達波、焊縫反射波、二次反射波和鋼板左端反射波。四種信號波形完整，說明雙層鋼板搭接結構三維模型尺寸設置較為合理。

在實驗中，為了減少傳感器的數(shù)量，通常采用一激一收模式，利用回波反射法實現(xiàn)焊縫的定位。根據(jù)探針與焊縫邊界的距離以及傳播時間，可以計算出SH0模態(tài)導波的傳播速度，如表1所示。相比SH0導波計算速度和理論速度，二者之間誤差為5.6%，證明雙層鋼板搭接結構的三維仿真模型準確性較高。

表1 SH0導波仿真速度分析

2 SH0模態(tài)導波在鋼板焊接區(qū)域內裂紋檢測中的仿真分析

在實際工程中，鋼板裂紋缺陷往往會被另一塊焊接鋼板所覆蓋，這就給檢測工作帶來了很大的干擾。因此，為了研究SH0模態(tài)波導在此情況下的傳播特性，以實際的工程應用為原型，建立如圖5所示含缺陷雙層鋼板搭接結構三維模型。A處為沿y軸的裂紋缺陷，尺寸為1 mm×40 mm×2 mm，距離主鋼板的中心位置40 mm處。

在含缺陷的雙層鋼板焊接區(qū)域中，t=52 μs和t=80 μs時SH0模態(tài)導波傳播的位移云圖，如圖6所示。不同時刻SH0導波傳播的位移云圖表明，SH0模態(tài)導波在傳播過程中遇到裂紋缺陷后也會產生反射現(xiàn)象和透射現(xiàn)象，但無模態(tài)轉換和頻散現(xiàn)象發(fā)生。

如圖7所示，探針P點處的位移—時間曲線表明，在鋼板左端反射波波包后，可以明顯觀察到裂紋缺陷反射波信號。驗證了因SH0模態(tài)導波無頻散和無模態(tài)轉換的優(yōu)點，避免了因導波模態(tài)轉換對焊縫反射和透射信號產生的干擾，使導波信噪比更高，缺陷回波信號更加單一。

根據(jù)SH0模態(tài)導波在板中傳播速度、探針P點處與裂紋缺陷的距離和傳播時間，對裂紋缺陷進行定位分析可知，二者誤差僅為1.79 %，定位精度較高，驗證了SH0模態(tài)導波在雙層鋼板搭接區(qū)域內裂紋缺陷檢測的可行性，計算結果如表2所示。

表2 裂紋缺陷位置分析

3 對不同長度裂紋缺陷的仿真分析

為了研究SH0導波對不同長度裂紋缺陷的檢測能力，分別建立長度為10～40 mm(間隔為5 mm)含裂紋缺陷的雙層鋼板三維搭接結構模型。如圖8所示，探針P點處的位移—時間曲線表明，裂紋長度為10 mm時，接近理論極限分辨率6.4 mm，缺陷回波信號與噪聲信號基本重疊，無法識別缺陷回波波包；裂紋缺陷越長，缺陷回波信號越強烈，幅值越高。驗證了SH導波為水平剪切波，其在板中傳播時質點沿y軸方向振動，因此對x軸方向缺陷敏感。

4 結語

本文針對雙層鋼板焊接區(qū)域內裂紋缺陷不易檢測的問題，采用有限元法研究了SH0模態(tài)超聲導波對雙層鋼板焊接區(qū)域內裂紋缺陷的檢測，得出結論如下：

(1)通過仿真計算得出SH0模態(tài)導波計算速度和理論速度的誤差為5.6 %，實驗模型較為準確。

(2)由于雙層鋼板搭接結構和裂紋缺陷對SH導波的影響，板中主要出現(xiàn)5種信號，分別是焊縫反射信號和透射信號，主鋼板左端反射信號，缺陷反射信號和透射信號。

(3)針對不同長度裂紋缺陷，SH0模態(tài)導波對10 mm長裂紋缺陷并不敏感，缺陷回波信號幅值與噪聲信號幅值接近，無法識別缺陷回波波包；當裂紋長度從10 mm到40 mm逐漸遞增時，缺陷回波信號明顯增強，在40 mm時幅值達到最大。

(4)裂紋缺陷的計算位置與實際位置誤差為1.79 %，裂紋缺陷檢測的可實施性較高。