本發(fā)明涉及超聲紅外熱像無損檢測領(lǐng)域，特別涉及一種超聲紅外熱像裂紋無損檢測激勵參數(shù)優(yōu)選方法。

背景技術(shù)：

超聲紅外熱像作為一項新型的無損檢測方法，其檢測速度快、對裂紋缺陷檢測靈敏高且適用于金屬和非金屬材料結(jié)構(gòu)件，具有其他無損檢測方法無可比擬優(yōu)勢。然而超聲紅外熱像法在工程應(yīng)用中，超聲波激勵參數(shù)的選取仍然基本依靠操作人員的經(jīng)驗。超聲波的激勵是裂紋生熱的熱激勵源，是裂紋缺陷被檢測的關(guān)鍵，超聲波的激勵參數(shù)是影響超聲波能量的關(guān)鍵參數(shù)，控制超聲波能量的大小同時也影響裂紋的可檢測率。僅僅依賴經(jīng)驗進(jìn)行判斷，很大程度上會提高裂紋的漏檢率，掌握超聲波激勵參數(shù)對裂紋生熱的影響規(guī)律，針對不同材質(zhì)、不同類型裂紋結(jié)構(gòu)件，總結(jié)出最佳激勵參數(shù)組合，根據(jù)其進(jìn)行裂紋檢測判斷可降低誤判、提高裂紋檢測率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種步驟簡單、適用范圍廣的超聲紅外熱像裂紋無損檢測激勵參數(shù)優(yōu)選方法。

本發(fā)明解決上述問題的技術(shù)方案是：一種超聲紅外熱像裂紋無損檢測激勵參數(shù)優(yōu)選方法，包括以下步驟：

1）建立含裂紋結(jié)構(gòu)件的三維模型；

2）將結(jié)構(gòu)件三維模型導(dǎo)入有限元軟件，建立結(jié)構(gòu)件材料模型；

3）對結(jié)構(gòu)件整體劃分網(wǎng)格，將其離散化；

4）對結(jié)構(gòu)件裂紋面之間設(shè)置接觸對，并定義接觸屬性；

5）加載超聲波載荷以及邊界條件；

6）對模型進(jìn)行分析求解；

7）更改超聲波激勵載荷參數(shù)，每更改一次輸出一次結(jié)果并返回步驟5），直

至參數(shù)更改完畢；

8）輸出激勵參數(shù)影響規(guī)律報告；

9）根據(jù)激勵參數(shù)影響規(guī)律，對激勵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選取，獲取激勵參數(shù)最佳

組合。

上述超聲紅外熱像裂紋無損檢測激勵參數(shù)優(yōu)選方法，所述步驟2）中，有限元軟件是具有固-熱耦合場分析能力的有限元軟件。

上述超聲紅外熱像裂紋無損檢測激勵參數(shù)優(yōu)選方法，所述步驟3）中，對結(jié)構(gòu)件劃分的網(wǎng)格的大小應(yīng)滿足于一個超聲波波長內(nèi)至少劃分20個網(wǎng)格。

上述超聲紅外熱像裂紋無損檢測激勵參數(shù)優(yōu)選方法，所述步驟4）中，采用柔體柔體接觸的點面接觸方式，其中接觸算法選用罰函數(shù)法，接觸面之間的動、靜摩擦系數(shù)均設(shè)置為0.3。

上述超聲紅外熱像裂紋無損檢測激勵參數(shù)優(yōu)選方法，所述步驟5）中，采用位移函數(shù)將超聲波激勵直接加載到試件有限元單元節(jié)點上的方式進(jìn)行加載，超聲波用高頻正弦函數(shù)表示，加載面積為25mm×25mm。

上述超聲紅外熱像裂紋無損檢測激勵參數(shù)優(yōu)選方法，所述步驟6）的具體步驟為

(6.1)定義分析類型為transient瞬態(tài)分析；

(6.2)設(shè)置求解條件及參數(shù)；設(shè)置分析求解時間0.01秒，采用時間積分步長求解方式，超聲波頻率為20khz，定義時間步長為2e6；

(6.3)分析求解過程和求解結(jié)果；

(6.4)判斷求解結(jié)果是否收斂，否，則回到步驟3），是，則繼續(xù)判斷裂紋接觸面是否穿透，否，則繼續(xù)步驟7），是，則回到步驟4）。

上述超聲紅外熱像裂紋無損檢測激勵參數(shù)優(yōu)選方法，所述步驟7）中，超聲波激勵參數(shù)包括激勵幅值、激勵頻率、激勵位置。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明首先建立結(jié)構(gòu)件材料模型，對結(jié)構(gòu)件整體劃分網(wǎng)格，將其離散化；然后對結(jié)構(gòu)件裂紋面之間設(shè)置接觸對并定義接觸屬性，加載超聲波載荷以及邊界條件；再對模型進(jìn)行分析求解；最后根據(jù)各個激勵參數(shù)影響規(guī)律輸出報告，對激勵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選取，得到實施例進(jìn)行超聲波紅外熱像檢測的激勵參數(shù)最佳組合。本發(fā)明以軟代硬進(jìn)行參數(shù)優(yōu)選，不需要使用昂貴的硬件設(shè)備，不需要前期大量的實驗準(zhǔn)備，不需要漫長耗時費(fèi)力的實驗過程，具有方便快捷、省時省力等優(yōu)點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程圖。

圖2為本發(fā)明的三維模型示意圖。

圖3為本發(fā)明的網(wǎng)格劃分示意圖。

圖4為本發(fā)明的載荷和邊界條件施加示意圖。

圖5為本發(fā)明的激勵位置參數(shù)分布示意圖。

圖6是本發(fā)明在不同激勵幅值下裂紋區(qū)域溫度變化圖。

圖7是本發(fā)明在不同激勵頻率下裂紋區(qū)域溫度變化圖。

圖8是本發(fā)明激勵幅值影響規(guī)律的實驗與數(shù)值求解結(jié)果對比圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

如圖1所示，超聲紅外熱像裂紋無損檢測激勵參數(shù)優(yōu)選方法，包含以下步驟：

1）定義單元類型為solid5，該單元是三維8節(jié)點六面體耦合單元，具有三維熱場、結(jié)構(gòu)場、磁場、電場、壓電場的分析能力，并能在各場之間實現(xiàn)有限的耦合，滿足所需的結(jié)構(gòu)場熱場耦合分析要求。

定義金屬板件的材料為45鋼，45鋼材料參數(shù)如表1所示。

在三維建模軟件中建立含裂紋結(jié)構(gòu)件的三維模型，平板尺寸大小為210mm×80mm×5mm，裂紋采用v字貫穿型裂紋，v字最大開口處寬度5um,裂紋長度5mm。如圖2所示。

2）將結(jié)構(gòu)件三維模型導(dǎo)入ansys有限元軟件，建立結(jié)構(gòu)件材料模型。若結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)簡單也可直接在有限元軟件中建立模型，省去導(dǎo)入有限元軟件這一步驟。有限元軟件是具有固-熱耦合場分析能力的有限元軟件，如ansys、abaqus等。

3）對結(jié)構(gòu)件整體劃分網(wǎng)格，將其離散化。網(wǎng)格劃分是整個有限元分析的關(guān)鍵，網(wǎng)格大小、網(wǎng)格形狀以及網(wǎng)格的分布直接影響仿真分析的計算結(jié)果的準(zhǔn)確與否。網(wǎng)格劃分過于稀疏時，將會導(dǎo)致計算結(jié)果出現(xiàn)錯誤，甚至無法得到計算結(jié)果；增大單元密度可以提高計算結(jié)果的精確性，但是當(dāng)網(wǎng)格劃分過于緊密時，又會導(dǎo)致計算時間過長，浪費(fèi)計算機(jī)資源。超聲波紅外熱像無損檢測技術(shù)的特點之一就是超聲波的激勵時間短，僅毫秒級，所以為了準(zhǔn)確模擬超聲波在結(jié)構(gòu)件內(nèi)的傳播，要求結(jié)構(gòu)件的有限元模型在一個波長內(nèi)至少劃分20個網(wǎng)格。超聲波在鋼中傳播的速率為5200m/s，超聲波頻率取20khz，超聲波在45鋼中傳播的波長為0.26m，平板件的最大網(wǎng)格尺寸為13mm。裂紋區(qū)域的溫度變化是有限元分析的重點，創(chuàng)建的裂紋尺寸長度為5mm，裂紋區(qū)域的網(wǎng)格尺寸需要足夠小才能準(zhǔn)確模擬超聲波在裂紋區(qū)域的傳播，但整體網(wǎng)格劃分過于緊密又會導(dǎo)致計算時間過長，浪費(fèi)計算機(jī)資源等。采取分區(qū)域劃分網(wǎng)格的方案，定義裂紋區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.4mm，定義平板件整體模型面網(wǎng)格尺寸為3mm，平板件厚度方向上劃分3個網(wǎng)格，采用掃略網(wǎng)格劃分方法，首先對面劃分網(wǎng)格，再對平板件整體掃略劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

4）對結(jié)構(gòu)件裂紋面之間設(shè)置接觸對，并定義接觸屬性。采用柔體柔體接觸的點面接觸方式，其中接觸算法選用罰函數(shù)法，接觸面之間的動、靜摩擦系數(shù)均設(shè)置為0.3。

5）加載超聲波載荷以及邊界條件，如圖4所示。實際超聲紅外熱像裂紋檢測過程中試件左右兩端被夾具夾持，對試件模型的左右兩端面的位移自由度施加全約束，包括平動自由度和轉(zhuǎn)動自由度。仿真分析的初始環(huán)境溫度設(shè)置為27°c。實際實驗中超聲波激勵是通過換能器轉(zhuǎn)換，然后通過聚能桿傳遞到試件中。采取將超聲波激勵直接加載到試件的方式，超聲波用高頻正弦函數(shù)表示，采用ansys中位移函數(shù)載荷激勵直接加載超聲波載荷。

6）對模型進(jìn)行分析求解。

步驟6）中有包含以下子步驟：

6.1定義分析類型為transient瞬態(tài)分析；

6.2設(shè)置求解條件及參數(shù)。設(shè)置分析求解時間0.01s，采用時間積分步長求解方式，由于求解時間短，超聲波頻率為20khz，為了正確模擬超聲波在平板件中傳播，時間步長需要設(shè)置的足夠小，定義時間步長為2e6；

6.3分析求解過程，獲得求解結(jié)果；

6.4判斷求解結(jié)果是否收斂，否，回到步驟3）重新進(jìn)行網(wǎng)格劃分，是，判斷裂紋接觸面是否穿透，否，繼續(xù)步驟7），是，回到步驟4）重新設(shè)置接觸剛度并求解。

7）超聲波激勵參數(shù)包括激勵幅值、激勵頻率、激勵位置，其中激勵幅值取值范圍為12-48um，激勵頻率取值范圍是20-30khz，激勵位置選擇示意圖如圖5所示。激勵位置的面積大小根據(jù)超聲波激勵設(shè)備聚能桿的截面面積確定，激勵位置在待測結(jié)構(gòu)件表面均勻分布。首先改變激勵幅值，分別設(shè)置為12、18、24、30、36、42、48um，然后更改激勵頻率20、22、24、26、28、30khz，然后更改激勵位置，如圖5所示，從左至右、從上至下依次選取方格內(nèi)的激勵位置，選擇次序為a-a′-b-b′-c-c′，共15個激勵位置。每更改一次重復(fù)一次步驟5）和6)，獲得一次計算結(jié)果。比如最開始激勵幅值為12um，激勵頻率為20khz，激勵位置為a；在激勵頻率、激勵位置不變的情況下分別更改激勵幅值為18、24、30、36、42、48um；然后保持激勵位置不變，激勵頻率設(shè)為22khz，分別更改激勵幅值為12、18、24、30、36、42、48um…直至激勵頻率遍歷20、22、24、26、28、30khz；接著更改激勵位置，激勵幅值遍歷12、18、24、30、36、42、48um，激勵頻率遍歷20、22、24、26、28、30khz。這樣所得的結(jié)果總數(shù)為7*6*15=630個。

8）將上述參數(shù)更改全部計算完，匯總所有仿真計算結(jié)果，輸出激勵參數(shù)影響規(guī)律報告。

所得實施例激勵幅值對裂紋生熱的影響規(guī)律如圖6所示，激勵頻率對裂紋生熱的影響規(guī)律如圖7所示，激勵位置對裂紋生熱的影響規(guī)律如圖8所示。通過超聲波紅外熱像無損檢測實驗臺對其中激勵幅值參數(shù)變化影響規(guī)律進(jìn)行實驗驗證，實驗選取45鋼材質(zhì)平板件作為實驗對象，并按照國家標(biāo)準(zhǔn)金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗方法對其預(yù)制疲勞裂紋，采用超聲波紅外熱像裂紋檢測方法進(jìn)行實驗，實驗結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果對比圖如圖8所示。圖8顯示隨著激勵幅值參數(shù)的增大，裂紋區(qū)域溫度不斷升高，實驗結(jié)果與數(shù)值求解結(jié)果二者上升趨勢一致，很好地驗證了激勵幅值參數(shù)影響律的正確性以及通過本方法求解超聲波激勵參數(shù)影響規(guī)律的可行性。

9）根據(jù)各個激勵參數(shù)影響規(guī)律輸出報告，對激勵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選取，得到超聲波紅外熱像檢測的激勵參數(shù)最佳組合。