Page 46 - 无损检测2021年第十期

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

图3 顺序耦合得到的接收信号时域图与频域图
构的方法实现应力场与超声耦合的思路相似, 但该
研究仅利用单一 COMSOL软件就实现了应力场与
声场的耦合, 在很大程度上简化了建模步骤, 缩短了
模拟运算时间。
1.6.2 直接耦合
若考虑裂纹边界受载后的尺寸及状态随时间演
化的过程, 整个求解过程是瞬态的, 恒应力与表面波
同时加载到模型上进行瞬态分析计算, 为直接耦合。
接收信号的时域图如图 4 ( a )所示 ( 应力为

3MPa ), 可看出直接耦合模型最终接收的时域信号

在5 μ s附近有波形出现, 考虑该波是由恒应力波与
声场中的纵波叠加而成的, 原因为裂纹受应力作用
后其变形不是一步到位。采用瞬态求解记录了其在
短时间内发生变形然后达到相对稳定的过程, 此过
程同时伴随低频应力波的产生, 图4 ( b ) 为微裂纹变
形过程的信号, 对其进行傅里叶变换得到的幅频曲 图4 直接耦合接收信号及微裂纹处变形的
线如图4 ( c ) 所示, 结果证实: 恒应力加载到微裂纹 时域图与幅频图

边界处, 在0Hz附近产生了低频信号。分析模型接 据分别作用于裂纹边界, 利用顺序耦合与直接耦合
收信号的频域成分, 发现有二次谐波出现, 同时在 两种方式进行模拟计算, 施加的恒应力与非线性系
0Hz附近也出现了低频成分, 此低频成分即为高频 数的关系曲线如图5所示。

的激励信号与恒应力产生的低频信号调制形成。计 随着施加在微裂纹边界处拉应力的增加, 直接
算其非线性系数为5.77×10 , 此结果与顺序耦合 耦合和顺序耦合两种方式的非线性响应都明显降
-3
非线性结果比较接近。 低, 压应力的非线性响应大于拉应力的, 这是由于拉
在上述基础上, 对比顺序耦合与直接耦合方式 应力使裂纹开口变大, 抑制了高次谐波的产生, 而压
应力则反之; 相同的受载状态下, 顺序耦合与直接耦
对模拟结果的不同影响, 选定压应力分别为1MPa

和无应力, 拉应力分别为1 , 2 , 3MPa , 这5组应力数 合的超声波非线性响应程度几乎相同, 这是由于超
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2021年 第43卷 第10期
无损检测