Page 44 - 无损检测2021年第十期
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张鑫明, 等:
奥氏体不锈钢应力腐蚀微裂纹的非线性表面波检测
随着无损检测技术的发展, 非线性超声检测凭
借其灵敏度高、 对微裂纹敏感等优点得到了广泛的
应用。非线性超声检测是利用超声波在材料中传播
时, 其与介质或微观缺陷相互作用而产生的非线性
响应信号对早期损伤进行评价, 以反映材料应力 - 应
变的非线性 。非线性超声检测现在已被用于金属
[ 3 ]
构件的疲劳微裂纹检测、 金属基结构界面黏接强度评 图1 非线性表面波检测微裂纹的二维模型
价、 力学性能退化评估 [ 4 ] 等领域中。 ZEITVOGEL 1.2 激励信号
[ 5 ]
等 研究使用非线性瑞利波来表征碳钢中的应力腐 在采用 COMSOL 软件模拟时, 将激励信号以
蚀开裂( SCC ) 损伤, 试验发现, 在 SCC 的早期阶段, 指定位移的形式施加在几何模型中距离左边界
所测量的声学非线性有所增加, 表明了使用非线性 5mm 处, 作为检测的发射声源。
超声检测碳钢中的 SCC损伤具有可行性。 选取合适的激励信号进行超声波模拟, 能提高
数值模拟技术的发展拓宽了非线性超声检测的 缺陷检测的准确性。针对表面微裂纹损伤, 选择能
研究思路。梁泽龙 [ 6 ] 基于 ABAQUS 软件, 提出了 量集中于固体表面及近表面传播的表面波进行检
一种建立应力场与声场联系的分析方法, 实现了受 测。单脉冲信号、 连续正弦信号、 正弦调制信号这3
载条件下的混凝土超声传播模拟。 种信号都能激发产生表面波, 其中正弦调制信号结
利用非线性超声检测微裂纹的研究多数是在无 合了单脉冲信号与连续正弦信号的优点, 既能产生
应力状态下进行的, 对于恒应力作用下的微裂纹检 检测所需的连续振动, 又能保证超声波能量集中, 具
测则少有报道, 目前所实现的受载条件下对超声波 有较高的振幅, 能与微裂纹相互作用产生明显的非
传播特性的研究分析步骤也相对复杂。笔者利用 线性效应。选择汉宁窗调制的连续正弦信号作为模
COMSOL 多物理场仿真软件, 优化创建了奥氏体 型的激励信号, 激励信号的中心频率根据实际超声
不锈钢应力腐蚀微裂纹的非线性表面波检测模型, 检测探头的频率选定为2.5MHz , 周期数为10 , 激
探讨了不同参数设置对模拟结果的影响, 结合试验 励信号如式( 1 ) 所示。
分析验证了 COMSOL软件在求解非线性表面波检 2π f t
=
X ( t ) A· 1-cos sin ( 2π f t ) ( 1 )
测应力腐蚀微裂纹问题上的可行性与优越性。 n
式中: X ( t ) 为激励信号对介质的指定位移; A 为信
1 基于 COMSOL 软件构建并优化微裂纹表 号的幅值; 为中心频率; t 为时间, 且 t<4 μ s 。
f
面波检测模型 1.3 网格的划分
网格划分是生成计算所需的节点和单元, 建立
1.1 构建几何模型
结合奥氏体不锈钢设备服役过程中可能发生的 有限元模型的一个重要环节, 所划分的网格形式对
计算精度和计算规模将产生直接影响 [ 7 ] 。网格尺寸
缺陷腐蚀情况, 简化设备结构, 按照以下基本参数绘
过大会降低计算精度; 网格尺寸过小, 则需要大量的
制尺寸( 长×宽) 为35mm×5mm 的二维模型, 材
计算资源 [ 8 ] , 增加模型计算时间。 COMSOL 软件
料为奥氏体不锈钢, 微裂纹的初始大小为50nm ×
下固体力学弹性波接口的默认设置是使用四次( 四
0.3mm ( 长×宽)。微裂纹的模拟选择直接在几何
阶) 形函数, 每个波长仅需要约 1.5 个网格单元。
模型上去除自定义大小的实体单元, 该方法能够在
采用最大频率分量 为表面波
后续的网格划分中, 在微裂纹附近加密网格, 获得较 f 为5MHz , C R
的波速, 则计算出最大的网格尺寸L≤0.38mm ( L
高的仿真精度。利用 COMSOL 软件建立的非线性
为网格边长)。
表面波检测微裂纹的二维模型如图1所示。奥氏体
综上所述, 为了保证结果更加精确, 运算时间更
不锈钢材料参数如表1所示。
加合理, 模型设置最大网格边长为0.1mm , 网格的
表1 奥氏体不锈钢材料参数
类型为自由三角形。
弹性模量 / 密度 / 抗拉强度 / 屈服强度 /
泊松比 1.4 时间步长
-3
GPa ( k g · m ) MPa MPa
时间步长的选取直接影响求解精度, 时间步
195 7930 0.28 540 230
长过大会导致计算结果精度低; 时间步长过小, 则
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2021年 第43卷 第10期
无损检测
