超声相控阵裂纹定量检测有限差分法数值模拟

发布时间：2017-05-24 06:06

  本文关键词：超声相控阵裂纹定量检测有限差分法数值模拟，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：压力容器中不同程度地存在着裂纹类缺陷,危害性极大,对其进行定量无损检测有着十分重要的意义。超声相控阵技术能对裂纹类缺陷进行快速成像和定量检测,且定量精度明显优于传统超声。但由于超声相控阵设备昂贵,缺陷试块制作成本高、制作周期长,给超声相控阵裂纹定量实验研究带来了诸多不便。超声相控阵检测数值模拟研究,不仅能提供实际检测所不具备的硬件条件、有助于更清楚地理解声波在被检试样中的传播规律及其与缺陷的相互作用,同时,还可指导实验设计、实验参数优选以及缺陷图像的判别等,为科学研究和实际检测提供了极大的方便。 本文针对一维线阵相控阵探头,基于有限差分方法(Finite Difference Method,FDM),建立了超声相控阵检测的数值模型,并在此模型基础上开展了裂纹类缺陷定量研究,分析了缺陷状态及聚焦参数对检测结果的影响。主要研究工作如下： (1)基于超声相控阵检测的基本原理,以及声束偏转、聚焦和聚焦偏转条件下阵元时间延迟的计算公式,选取ZETEC LM-5MHz线阵纵波探头(总晶片数为64个单次激发32晶片)为模拟对象,建立了超声相控阵检测的数值模型。模拟计算了四种聚焦方式下碳钢试块中深度25mm、直径5mn横通孔的回波信号,并分析了其B扫视图成像特点。采用实验对比方式,验证了模型计算结果的准确性。 (2)选取相对传播时间法(Relative Arrival Time Technique, RATT)为裂纹定量方法,并给出了相应计算公式。针对厚度55mm碳钢试块中不同状态的底面切槽,研究了切槽高度、宽度、取向对回波信号的影响,分析了回波信号幅值以及B扫视图特征,同时对定量精度进行了比较,模拟结果得到了实验的良好验证。文中还模拟了内部埋藏缺陷(缺陷长度为5mm)的B扫视图,其定量误差为-0.17mm；对真实形貌裂纹的模拟结果表明,超声相控阵B扫视图能有效反映裂纹形貌,但尖端衍射信号的识别较为困难,定量误差偏大。 (3)研究了扫查角为20°-50°时底面切槽的B扫视图成像,结果表明：尖端衍射信号和端角信号在B扫视图中的相对距离随扫查角度的增大而减小,当扫查角为30°-40°时,两者能较好区分,易于进行缺陷定量；研究了聚集深度对底面切槽回波幅值的影响,证明合理设置聚焦深度能有效提高回波信号能量,但是当聚焦深度超过探头近场区长度时,改善作用很小。
【关键词】：超声相控阵 有限差分法 数值模拟 裂纹定量 相对传播时间法
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH49;TG115.285
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-16
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 超声相控阵检测的数值模拟10-15
• 1.2.1 超声相控阵检测数值模拟主要方法10-11
• 1.2.2 超声相控阵检测有限差分法数值模拟研究现状11-15
• 1.3 课题研究内容15-16
• 2 超声相控阵技术原理16-24
• 2.1 超声相控阵检测原理概述16-17
• 2.2 超声相控阵的声束控制17-19
• 2.3 超声相控阵的声束扫描方式19-21
• 2.3.1 电子扫描19-20
• 2.3.2 扇形扫描20
• 2.3.3 深度聚焦20-21
• 2.4 超声相控阵的图像显示21-23
• 2.5 本章小结23-24
• 3 超声相控阵检测模型的建立及验证24-39
• 3.1 固体声场方程的差分展开24-26
• 3.2 超声相控阵阵元的延迟计算26-30
• 3.2.1 声束偏转时阵元的延迟计算26-27
• 3.2.2 声束聚焦时阵元的延迟计算27-28
• 3.2.3 声束偏转聚焦时阵元的延迟计算28-30
• 3.3 超声相控阵数值模拟波源参数30-32
• 3.3.1 探头几何参数30-32
• 3.3.2 发射波形32
• 3.4 边界条件与计算稳定性32-33
• 3.5 模拟与实验验证33-38
• 3.5.1 实验设备及试块33-34
• 3.5.2 模拟及验证34-38
• 3.6 本章小结38-39
• 4 超声相控阵检测模型在裂纹定量中的应用39-62
• 4.1 裂纹定量方法39-44
• 4.2 缺陷状态对检测结果的影响44-57
• 4.2.1 底面切槽高度对检测结果的影响44-50
• 4.2.2 底面切槽宽度对检测结果的影响50-52
• 4.2.3 底面切槽取向对检测结果的影响52-53
• 4.2.4 埋藏缺陷检测模拟研究53-56
• 4.2.5 真实裂纹检测模拟研究56-57
• 4.3 聚焦参数对检测结果的影响57-60
• 4.3.1 偏转角度57-59
• 4.3.2 焦点位置59-60
• 4.4 本章小结60-62
• 结论62-63
• 参考文献63-66
• 攻读硕士学位期间已发表论文情况66-67
• 致谢67-68

【参考文献】

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