Page 117 - 无损检测2024年第十二期

赵 通，等：

氧化锆内涂层腐蚀裂纹的超声检测

波，另一种是垂直于原始波振动方向传播的纵波。
由超声波在同种介质中，纵波波速大于横波的，
甚至可能有α ≫α 。当α =90°时，介质中就会只剩
S
L
L
下横波。
令α =90°，通过计算可以得到第三临界角
L
C
α S = α ΙΙΙ =arcsin C S L 1 1 （4）

当α >α 时，会出现横波全反射情况，即介质
S
III
1中只有反射横波。当声波抵达固体的分界面时，会
发生波型转换，这种转变也会影响声波的传播速度，
因此在应用斯涅耳定律时，必须考虑到新的声波速
度。纵波斜探头检测多层结构的声束如图3所示。
图 5 激励信号时域图与频域图
式中：X(t)为激励函数；A为信号幅值,取0. 000 1；f
t
为中心频率，取1. 5 MHz；为时间；n为周期数 [15] 。
观察激励信号的频谱图可知，该信号仅包含基
波，无其他非线性噪声影响。
图 3 纵波斜探头横波检测多层结构的声束示意
2.1.3 网格划分
2 仿真研究 网格的划分形式和尺寸会直接影响计算精度。

所提模型采用自由三角形网格类型，网格划分情况
2.1 仿真模型构建
如图6，7所示。
2.1.1 创建几何模型
构建氧化锆涂层腐蚀裂纹超声检测模型，其材
料参数如表1所示。
表1 腐蚀裂纹材料参数
材料 弹性模量E/GPa 密度ρ/kg · m −3 泊松比μ
图 6 超声检测模型网格划分
氧化锆 210 5 900 0.25
304不锈钢 195 7 930 0.28

构建的模型中，不锈钢基体厚度为7 mm，涂层
厚度为3 mm，裂纹深度分别设置为1，2，3 mm，其
二维模型如图4所示。

图 7 氧化锆涂层腐蚀裂纹处网格划分

2.1.4 时间步长设置
图 4 氧化锆涂层腐蚀裂纹超声检测二维模型
时间步长和总仿真时间的设置是解决瞬态求解
2.1.2 设置激励函数
问题时的考量要素，将直接影响解法的准确性。合
选择适当的激励信号可以提高腐蚀裂纹检测的 理设置时间步长要符合MOSER和NYQUIST定律。
准确性。模拟5周期正弦脉冲激励信号，并加汉宁 文章综合考虑MOSER 和 NYQUIST 定 律，
窗函数进行调制，激励信号的时域图和频域图如图5 − 8 s，仿真
将瞬态求解器的时间步长设定为 5×10
所示。其表达式为 求解的总时间应该大于超声波传播至接收点的时
 2 ft  间，并设置为 3. 5×10 − 5 s，以实现超声波的发射与
π
t
X ( )=A  1-cos sin (2 ft ) ( <5/t ) f （5）
π

 n  接收。
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2024 年 第 46 卷 第 12 期
无损检测