Page 72 - 无损检测2024年第四期

程宝谊,等:
核电混凝土相控阵超声检测的数值模拟分析

果如图 7 所示。 有较大影响, 可能导致较严重的信号散射现象。这
表明在核电混凝土内部存在多种缺陷的情况下, 相
控阵超声检测能够分辨出不同位置的缺陷, 但对其
大小和具体形状识别仍不够准确。

4 含缺陷核电混凝土的相控阵检测仿真

4.1 有限元模型的建立

COMSOL Multi p h y sics ( 简称 COMSOL ) 软件
内嵌多种物理场模块, 能够有效处理不同物理场之
间的交叉耦合从而实现多场耦合。由牛顿第二定律
图 7 缺陷位置处相控阵超声成像结果 可知, 超声波在混凝土中传播的控制方程为 [ 11 ]

2
图 7 中红线交叉处标示出仪器所测量的缺陷中 ∂u
ρ 2 - ዷ σ=F v ( 6 )
点位置, 该位置与缺陷实际位置相差无几, 验证了相 ∂t
控阵超声检测结果的准确性。 式中: 为材料的体密度; u 为位移矢量; σ 为应力
ρ
然而, 仪器在测量缺陷尺寸和形状方面仍存在 张量; F v 为机械载荷向量; t 为超声传播时间。
较大偏差。以缺陷 1 为例, 为对得到的图像进行数 基于波动方程建立了核电混凝土缺陷相控阵检
字化处理, 选取了缺陷成像红色部分中的关键点, 并 测的仿真模型, 分析超声波在含缺陷核电混凝土中
将缺陷转化到新坐标系中。新坐标系下的缺陷成像 的传播特性及规律。
结果如图 8 所示, 可见缺陷成像结果为不规则图形, 仿真模拟聚焦于声传播声聚焦问题, 而不是换
能器的设计问题, 且相控阵阵列的阵元在厚度方向
通过计算得到其面积为 412.5mm 。
2
上谐 振, 则 可 将 试 验 简 化 模 拟 为 声 学 问 题。 在
COMSOL 软件中选择瞬态压力声学物理场, 设置

完美匹配层厚度为 15 mm 。多次试验后选取高斯
函数调制后的正弦信号为激励信号, 即
- ( x - b ) 2
()
()
f t =Ae 2 σ 2 sin ( 2π f 0 t ), 0≤t≤nT 0 7
式中: A 为缩小系数, 取 10 ; b 为高斯调幅脉冲的
-4
峰值中心, 取 0.5 nT 0 σ 为平缓曲线的高斯调幅脉
;
2

; 为激励频率, 取 50kHz ;
冲的标准差, 取 0.5T 0 f 0
为激励周期, T 0=1 / ; n 根据试验情况取 5 。
T 0 f 0
在压力声学模块中添加法向加速度模拟激励,

图 8 新坐标系下的缺陷成像结果示意 其中心频率为 50kHz 。核电混凝土仿真模型的网

采用相同的方法分析缺陷 2 的相控阵 成像结 格尺寸最大为 14mm , 网格划分格式为映射。
果, 缺陷 1 , 2 预设面积与实际测量面积的对比如表 用于核电混凝土缺陷检测的阵列超声换能器的
2 所示。 主要参数如表 3 所示。
表 2 缺陷 1 , 2 预设面积与实际测量面积 表 3 相控阵超声换能器主要参数
的对比 mm 2 项目 参数
阵元数量 4×8
缺陷 1 缺陷 2
项目 阵元间距 / mm 12.5
形状 面积 形状 面积
阵元宽度 / mm 15
预设缺陷情况 圆形 314.2 圆形 314.2
中心频率 / kHz 50
实际测量情况 不规则图形 412.5 不规则图形 450
测试范围 / mm 10~10000
相控阵超声仪在定位普通混凝土中的钢筋方面 偏转角度 /( ° ) 0~45
表现出色并能有效排除其他干扰, 但核电混凝土中 声束传播路线如图 9 所示, 模型的建立以缺陷
为预设缺陷而放置的绑扎钢筋网和重晶石对检测仍 2 为例。将各阵元与缺陷抽象为数学模型, 缺陷所
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2024 年 第 46 卷 第 4 期

无损检测