双层钢板搭接区域内的裂纹缺陷检测仿真*

薛慧玲 戚青丽 杜文华

(①中北大学机械工程学院,山西 太原 030051；②中国特种设备检测研究院,北京 100029；③清华大学电机系，北京 100084)

关键字:超声SH导波;缺陷检测;双层板搭接;有限元法

双层钢板搭接结构因腐蚀发生裂纹等缺陷是工程中常见的问题，其对社会公共安全造成巨大隐患。在工程实践中缺陷常被钢板覆盖和焊缝包围，对检测工作造成很大程度的干扰，使得无法通过视觉等方法直接检测。因此，研究SH导波双层钢板搭接区域内缺陷检测的有限元仿真具有重要意义。刘涵等人[1]通过OPTICS算法获得了石油钢管焊缝各种形状大小的缺陷，但识别准确率较低。陈本智等人[2]将厚钢管焊缝图像中气孔缺陷分割出来，但无法将其他类型缺陷进行分割。焦敬品等人[3]结合BP神经网络可对内焊缝表面缺陷进行识别，但识别率有待提高。上述文献通过图像处理的方式对缺陷、焊缝进行检测，但是只能检测存在于表面的缺陷，对于搭接区域内部缺陷却无法检测。朱新杰[4]等人运用超声SH导波对TLB型复杂焊接结构进行检测，在检测距离4 m内信号较明显，但是搭接焊缝及搭接头有较大的线性尺度，声波散射严重。J. Ma等人[5]研究了板中椭圆形缺陷对SH0模态的脉冲回波反射特性，缺陷的两个边缘的反射对信号干扰强烈。黄松岭团队[6-7]通过制作全向性导波探头，分别对Lamb波和SH导波在板中缺陷检测进行研究，但检测波形较为复杂，Lamb波模态识别困难。文献[4-7]的研究表明，超声Lamb波、SH导波在传播过程中存在着声场变化，以及与人工缺陷的相互作用；当板材存在焊缝结构时，上述情况会变得更加复杂。迟大钊等人[8-9]对搭接焊缝的X射线数字化图像进行分析，只对搭接焊缝中气孔类体积缺陷有良好检测效果。Yamba P等人[10]对搭接焊缝驼峰状缺陷的产生进行研究，表明焊缝回流流向是主要因素。李阳等人[11]研究了Lamb波在搭接焊缝上的反射和透射，表明反射系数与焊缝宽度之间呈近似线性关系。在研究板材搭接结构时，文献[8-11]将研究目光集中于搭接焊缝，没有考虑搭接区域内的缺陷对板材性能的影响。

本文基于COMSOL多物理场仿真平台，建立双层钢板搭接结构三维模型，通过在板边缘加载位移激励的方式激励单一模态SH0导波，并监测搭接区域外某点回波信号强度，从而研究SH0模态导波在搭接结构中的传播特性，并研究SH0导波对不同长度裂纹缺陷的检测。

1 SH0模态导波在双层钢板搭接结构中的传播特性

对于零阶SH模态的导波(即SH0导波)，其波结构简单，波型转换少，单模态激励较易，板材表面有无液体、污物等对其传播影响不大。在厚2 mm的钢板中，激励频率为250 kHz条件下，SH0模态导波群速度为3 200 m/s。如图1所示，导波激励选取经过高斯窗调制的5.5周期激励信号，表达式为

f(t)=A(1-cos(2πft/n))cos(2πft)

(1)

式中：A=0.5，激励函数幅值；f=250 kHz，激励频率；n=5.5，周期数。

在Comsol中建立双层钢板搭接三维模型，如图2所示，主体钢板尺寸为100 mm×300 mm×2 mm，上表面焊接有一块60 mm×160 mm×2 mm的钢板，中心位置距主钢板中心位置40 mm，激励区域设置在主钢板左端，布局采用居中对称模式。为了减小计算量，此处假设焊缝高度无限小，即用两块板相接触的交线(图2中粗实线)作为焊缝。

采用自由四面体网格对模型进行网格划分，在激励区域施加沿y轴方向的位移载荷激励信号(由SH导波传播过程中，质点沿y轴方向振动决定)，设置探针P(-93, 0, 0)，用以查看y方向上位移，最后设置求解器并对模型进行求解。在后处理中查看SH0模态导波任意时刻的位移云图和探针P点处的位移—时间曲线。

分别模拟t=32 μs和t=52 μs时，SH0模态导波传播的位移云图，如图3所示。不同时刻SH0导波传播的位移云图仿真结果表明，钢板双侧吸收边界对反射波吸收良好，并无反射波产生，在经过焊缝后，导波发生反射现象和透射现象，但无模态转换和频散现象发生，说明SH0模态导波模式纯净，与理论吻合。

探针P点处的位移—时间曲线，如图4所示，探针P点处接收到的主要有四种信号，分别是直达波、焊缝反射波、二次反射波和钢板左端反射波。四种信号波形完整，说明双层钢板搭接结构三维模型尺寸设置较为合理。

在实验中，为了减少传感器的数量，通常采用一激一收模式，利用回波反射法实现焊缝的定位。根据探针与焊缝边界的距离以及传播时间，可以计算出SH0模态导波的传播速度，如表1所示。相比SH0导波计算速度和理论速度，二者之间误差为5.6%，证明双层钢板搭接结构的三维仿真模型准确性较高。

表1 SH0导波仿真速度分析

2 SH0模态导波在钢板焊接区域内裂纹检测中的仿真分析

在实际工程中，钢板裂纹缺陷往往会被另一块焊接钢板所覆盖，这就给检测工作带来了很大的干扰。因此，为了研究SH0模态波导在此情况下的传播特性，以实际的工程应用为原型，建立如图5所示含缺陷双层钢板搭接结构三维模型。A处为沿y轴的裂纹缺陷，尺寸为1 mm×40 mm×2 mm，距离主钢板的中心位置40 mm处。

在含缺陷的双层钢板焊接区域中，t=52 μs和t=80 μs时SH0模态导波传播的位移云图，如图6所示。不同时刻SH0导波传播的位移云图表明，SH0模态导波在传播过程中遇到裂纹缺陷后也会产生反射现象和透射现象，但无模态转换和频散现象发生。

如图7所示，探针P点处的位移—时间曲线表明，在钢板左端反射波波包后，可以明显观察到裂纹缺陷反射波信号。验证了因SH0模态导波无频散和无模态转换的优点，避免了因导波模态转换对焊缝反射和透射信号产生的干扰，使导波信噪比更高，缺陷回波信号更加单一。

根据SH0模态导波在板中传播速度、探针P点处与裂纹缺陷的距离和传播时间，对裂纹缺陷进行定位分析可知，二者误差仅为1.79 %，定位精度较高，验证了SH0模态导波在双层钢板搭接区域内裂纹缺陷检测的可行性，计算结果如表2所示。

表2 裂纹缺陷位置分析

3 对不同长度裂纹缺陷的仿真分析

为了研究SH0导波对不同长度裂纹缺陷的检测能力，分别建立长度为10～40 mm(间隔为5 mm)含裂纹缺陷的双层钢板三维搭接结构模型。如图8所示，探针P点处的位移—时间曲线表明，裂纹长度为10 mm时，接近理论极限分辨率6.4 mm，缺陷回波信号与噪声信号基本重叠，无法识别缺陷回波波包；裂纹缺陷越长，缺陷回波信号越强烈，幅值越高。验证了SH导波为水平剪切波，其在板中传播时质点沿y轴方向振动，因此对x轴方向缺陷敏感。

4 结语

本文针对双层钢板焊接区域内裂纹缺陷不易检测的问题，采用有限元法研究了SH0模态超声导波对双层钢板焊接区域内裂纹缺陷的检测，得出结论如下：

(1)通过仿真计算得出SH0模态导波计算速度和理论速度的误差为5.6 %，实验模型较为准确。

(2)由于双层钢板搭接结构和裂纹缺陷对SH导波的影响，板中主要出现5种信号，分别是焊缝反射信号和透射信号，主钢板左端反射信号，缺陷反射信号和透射信号。

(3)针对不同长度裂纹缺陷，SH0模态导波对10 mm长裂纹缺陷并不敏感，缺陷回波信号幅值与噪声信号幅值接近，无法识别缺陷回波波包；当裂纹长度从10 mm到40 mm逐渐递增时，缺陷回波信号明显增强，在40 mm时幅值达到最大。

(4)裂纹缺陷的计算位置与实际位置误差为1.79 %，裂纹缺陷检测的可实施性较高。