Page 89 - 无损检测2022年第四期

朱高亮,等:
基于有限元分析的压力容器损伤阵列稀疏特征建模与定位方法

测方法可对在 役 压 力 容 器 进 行 快 速 检 测。 CHEN 圆心, 半径为13mm 的圆上。
等 [ 9 ] 采用电磁超声技术对储氢压力容器进行在役监
测, 为氢损伤的诊断和安全性评价提供了依据。
导波在压力容器中传播具有多频散性, 借助有
限元分析软件可以对导波传播行为进行可 视化操
作, 便于更好地了解导波在压力容器中经过损伤或
缺陷处的传播变化, 提高压力容器超声导波损伤监
测的效率。 PARODI等 [ 10 ] 通过有限元建模分析预
测了导波多模式的传播行为, 而后简化了模型分析
来研究复合材料压力容器中导波与分层的 相互作
图 1 压力容器结构模型
用。 SAUSE 等 [ 11 ] 对压力容器的混合多层板中的声
1.2 构建阵列稀疏特征
发射源和信号传播进行有限元建模, 模拟了多层结
Lamb波是在结构中传播的一种弹性波, 具有
构内的导波传播。因此, 有限元分析软件可以较容
多频散和多模态的特点, 选取不同板厚和激励频率
易地分析导播的传播, 对监测方法优化分析, 可以提
会产生不同的传播模式 [ 12 ] 。基于 Lamb 波的结构
高对压力容器的监测效率。
主动监测技术就是利用驱动器在结构表面激发主动
针对压力容器无损检测中较难检测的封 头部
的检测信号, 与此同时, 单个传感器或阵列传感器在
位, 笔者提出一种基于有限元分析的压力容器损伤
结构 同 侧 表 面 接 收 结 构 的 响 应 信 号, 对 接 收 的
阵列稀疏特征建模与定位方法, 通过对压力容器的
Lamb波信号进行分析, 进而达到对结构进行健康
封头结构进行有限元建模, 采取密集型阵列传感器
激发
状态监测的目的。研究中利用中心阵元 PZT 0
布置形式, 提取表面稀疏分布的损伤模拟点源波传
Lamb波向外传播, Lamb波经过表面损伤会发生散
播的阵列响应信号波达时间差, 建立结构表面模拟
射现象, 采用 8 个阵元组成的阵列传感器接收回波
损伤点源的样本库信号, 利用表征损伤信息的均方
信号, 阵列中阵元布置及损伤回波如图 2 所示。
根值之间的相似程度来得到损伤的具体位置。最
后, 在 封 头 表 面 含 缺 陷 结 构 的 模 型 上 采 用 基 于
Lamb波的主动监测技术, 接收并分析含缺陷结构
的阵列响应信号, 以此对提出的方法进行验证。

1 阵列稀疏特征损伤定位方法

1.1 压力容器封头结构有限元建模
在 ABAQUS 软 件 中 建 立 压 力 容 器 封 头 结 构
的有 限 元 模 型, 封 头 材 料 为 30GrMo , 其 密 度 为 图 2 阵列中的阵元布置及损伤回波示意

·
7850k g m -3 , 弹 性 模 量 为 211 GPa , 泊 松 比 为 Lamb波在 传 播 过 程 中 呈 现 多 模 态 且 具 有 频
0.279 。仿真结构为类椭圆半空心球 体, 该 球 体 外 散效应, 因此传播信号较为复杂, 而窄带信号激励
圆直径为 635 mm , 封头底部到外径圆圆心顶点的 波形不易 畸 变, 波 峰 明 显, 频 散 效 应 较 小, 因 此 选

高度为 140mm , 外径圆处向外设置有延伸 50 mm 用汉宁窗 调 制 的 五 波 峰 窄 带 信 号 作 为 激 励 信 号,
的贴合部设计。压力容器结构模型如图 1 所示, 其 可表示为
中, 红色实心点表示稀疏分布在结构表面的损伤点 1 2π f c
S = 1-cos t · Asin2π f c ,

源, 对其进行编号, 1-1 表示内圈第一个圆编号为 1 2 n

的损伤模拟点, 顺时针排布并分别编号为 1-2 、 1-3 , [,/ ] ( 1 )
t∈ 0n f c
…, 1-120 , 共有 120 个稀疏排布的损伤模拟点源, 黑 式中: A 为 激 励 信 号 幅 值; c 为 中 心 频 率, 取
f
色实心点表示监测损伤的主动激励点, 黄色实心圆 90kHz ; S 为正弦调制信号; t 为传播时间; n 为正

圈为接收信号圆形阵列。激励源位于结构正中心位 弦调制信号的波峰数。
置, 信号接收阵列由 8 个阵元组成, 设置在以中心为 激励信号的时域图和频域图如图 3 所示。
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2022 年 第 44 卷 第 4 期
无损检测