Page 74 - 无损检测2021年第七期

韩佳琪, 等:

弯折小径管中槽型缺陷的 L ( 0 , 1 )模态导波检测

测的优势 [ 3 ] 。长直管道中超声导波的传播特性相对 分, 在管道端面施加均布载荷, 以激励轴对称模态超
简单, 可以用频散曲线进行描述 [ 4 ] 。靳小强等 [ 5 ] 利 声导波。激励信号为中心频率为 90kHz , 由汉宁窗

用压电传感器在直径为8mm , 壁厚为1.5mm 的小 调制的 5 周期正弦波。

径不锈 钢 直 管 中 激 发 出 中 心 频 率 为 70kHz 的 仿真计算时, 首先分析 L ( 0 , 1 ) 模态导波在无缺

L ( 0 , 1 ) 模态导波, 实现了模拟裂纹缺陷的检测与准 陷小径管中的传播过程, 重点观察其在弯头处的反
确定位, 并通过试验观察到了缺陷导致 L ( 0 , 1 ) 模态 射和模态转换现象; 其次, 在模型的水平段小径管中

向 F ( 1 , 1 ) 模态转换的现象。 加工一 个 宽 为 1 mm , 深 为 1.8 mm , 周 向 长 度 为
超声导波在一定角度弯折小径管中的传播特性 8.76mm 的槽型缺陷, 其中心距离近端面 750mm 。

更为 复 杂。 李 衍 [ 6 ] 和 耿 海 泉 等 [ 7 ] 分 别 研 究 了 先后在两个端面设置激励和接收节点, 模拟自激自
T ( 0 , 1 ) 模态和 F ( 1 , 1 ) 模态导波在弯头处的传播特 收检测模式, 对比分析导波经过和未经过弯头情况
性, 均指出弯头的几何非对称性会引起导波发生模 下对模拟缺陷的检测能力。
态转换, 且导波对弯头不同区域缺陷的检测灵敏度 不同弯折角度小径管的有限元仿真模型与结果
存在差异。 如图 2 所示, 在仿真模型中进行信号提取时, 在两个
笔者采用有限元仿真和试验方法, 利用 L ( 0 , 1 ) 端面圆周上设置如图 2 ( a ) 所示的 8 个均布接收节
模态导波绕过弯头对弯折小径管中的槽型缺陷进行 点, 所有节点提取位移波形进行加和处理, 以模拟实
检测, 重点分析了弯折角度对导波传播特性及导波 际传感器检测信号, 用于分析弯折角度对导波检测
的缺陷检测能力的影响规律。 能力的影响规律。
1 超声导波传播特性

检测对象是外径为10mm , 壁厚为2mm 的不锈
钢管( 长约2m ), 共制作3根。在小径管中段位置进

行不同 角 度 的 弯 折, 弯 折 角 度θ 分 别 为 45° , 90° 和
135° 。计算导波在小径不锈钢直管中传播的频散曲
线 [ 8 ] , 结果如图1所示。由图 1 可以看出, 在频率小

于150kHz时, L ( 0 , 1 ) 模态导波的频散小, 适合缺陷

检测。在90kHz附近, L ( 0 , 1 ) 模态和 F ( 1 , 1 ) 模态导

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分别为 5000m · s 和 2600m · s 。
波的群速度v p
二者相差越大, L ( 0 , 1 ) 模态和 F ( 1 , 1 ) 模态在缺陷处
的反射回波信号更易于在时域上分离。因此, 选择
激发中心频率为90kHz的 L ( 0 , 1 ) 模态导波对小径

管进行检测。

图 1 小径不锈钢管导波群速度频散曲线
为了分析不同角度弯头对导波传播特性 的影
响, 在 ABAQUS 有限元仿真软件中, 建立了弯折小
径管模型。模型几何尺寸与实际测试的 3 根弯折小
图 2 不同弯折角度小径管的有限元仿真模型与结果
径管保持一致。模型采用四边形结构化网格进行划
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2021 年 第 43 卷 第 7 期
无损检测