CN104809293A - 一种声束在相贯线内传播的截面仿真方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种声束在相贯线内传播的截面仿真方法和装置，包括坐标获得单元、角度获得单元、截面仿真单元和路径仿真单元；所述坐标获得单元，用于获得被声束扫查的相贯线上任意一点的坐标值；所述角度获得单元，用于根据所述坐标值，获得对应的相贯线的二面角和切线角；所述截面仿真单元，用于根据所述二面角和切线角，获得相贯线截面仿真图；所述路径仿真单元，用于根据所述相贯线截面仿真图，获得声束在相贯线内传播的路径仿真信息。该声束在相贯线内传播的截面仿真方法和装置，对超声波声束在相贯线内的传播路径进行仿真，帮助相贯线检测工艺的正确制定、提高超声波检测质量、保证产品寿命。

Description

一种声束在相贯线内传播的截面仿真方法和装置

技术领域

本发明涉及超声波探伤技术领域，1其涉及一种声束在相贯线内传播的截面仿真方法和装置。

背景技术

相贯线检测工艺的制定需要事先模拟出焊缝各个位置的截面情况、探头相对焊缝的位置情况以及探头所发射的超声波声束在截面中的传播情况。通过相控阵聚焦法则的确认、探头位置的确认、声束覆盖情况的确认、才能制定出合适的检测工艺。但是相贯线焊缝界面在空间360°的截面复杂性，以及检测过程中由于要求探头声束垂直于焊缝切线的要求，使每个位置(空间360°)的焊缝截面都不相同，且每个焊缝截面的焊缝坡口情况，声束传播的母材区域情况也不相同。所以，专门针对这些相贯线的声束反射面设计的仿真软件对相贯线检测工艺的正确制定、提高超声波检测质量、保证产品寿命、减少工程事故发生和减少人民生命财产损失有着重大意义。

发明内容

本发明的目的在于提出一种声束在相贯线内传播的截面仿真方法和装置，对超声波声束在相贯线内的传播路径进行仿真，帮助相贯线检测工艺的正确制定、提高超声波检测质量、保证产品寿命。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，提供一种声束在相贯线内传播的截面仿真方法，包括：

获得被声束扫查的相贯线上任意一点的坐标值；

根据所述坐标值，获得对应的相贯线的二面角和切线角；

根据所述二面角和切线角，获得相贯线截面仿真图；

根据所述相贯线截面仿真图，获得声束在相贯线内传播的路径仿真信息。

其中，所述相贯线上任意一点A的坐标值为A(x、y、z)；

所述x＝ycosθ-r_bcosφ；

所述y＝(r² _m-r² _bsin²φ)^1/2；

所述z＝r_bsinφ；

其中，所述r_m为焊接管件的主管半径，r_b为焊接管件的支管半径，θ为焊接管件的主管与焊接管件的支管之间夹角，φ为声束扫查相贯线时对应的相贯线圆心角。

其中，所述二面角为主切面和支切面之间夹角，其中，所述主切面为经过A点、并对应焊接管件的主管的切面，所述支切面为经过A点、并对应焊接管件的支管的切面；

所述切线角包括主管探头夹角和支管探头夹角，所述主管探头夹角为椭圆面与主管轴线之间夹角，所述支管探头夹角为椭圆面与支管轴线之间夹角，所述椭圆面为经过A点、并沿着A点切线的法平面。

其中，所述二面角为：

arccos{r_bsin²φ+cosφcosθ[(r² _m-r² _bsin²φ)^1/2]}/r_m；

所述主管探头夹角为：

arccos{-z(ysinθ+xcosθ)/(z²y²+z²x²+y²x²sin²θ+y⁴cos²θ-zy³xsinθcosθ)^1/2}；

所述支管探头夹角为：

arccos[-zx/(z²y²+z²x²+y²x²sin²θ+y⁴cos²θ-zy³x sinθcosθ)^1/2]。

其中，所述二面角为α，焊接管件的截面坡口角为β；

当180°≥α≥135°时,β＝α-90°；

当135°>α≥90°时,β＝45°；

当90°>α≥45°时,β＝45°-(90°-α)/2；

当45°>α≥30°时,β＝22.5°-(45°-α)22.5°/15°；

当30°>α≥15°时,β＝0°。

第二方面，提供一种声束在相贯线内传播的截面仿真装置，包括：

坐标获得单元，用于获得被声束扫查的相贯线上任意一点的坐标值；

角度获得单元，用于根据所述坐标值，获得对应的相贯线的二面角和切线角；

截面仿真单元，用于根据所述二面角和切线角，获得相贯线截面仿真图；

路径仿真单元，用于根据所述相贯线截面仿真图，获得声束在相贯线内传播的路径仿真信息。

其中，所述相贯线上任意一点A的坐标值为A(x、y、z)；

所述x＝ycosθ-r_bcosφ；

所述y＝(r² _m-r² _bsin²φ)^1/2；

所述z＝r_bsinφ；

其中，所述r_m为焊接管件的主管半径，r_b为焊接管件的支管半径，θ为焊接管件的主管与焊接管件的支管之间夹角，φ为声束扫查相贯线时对应的相贯线圆心角。

其中，所述二面角为主切面和支切面之间夹角，其中，所述主切面为经过A点、并对应焊接管件的主管的切面，所述支切面为经过A点、并对应焊接管件的支管的切面；

所述切线角包括主管探头夹角和支管探头夹角，所述主管探头夹角为椭圆面与主管轴线之间夹角，所述支管探头夹角为椭圆面与支管轴线之间夹角，所述椭圆面为经过A点、并沿着A点切线的法平面。

其中，所述二面角为：

arccos{r_bsin²φ+cosφcosθ[(r² _m-r² _bsin²φ)^1/2]}/r_m；

所述主管探头夹角为：

arccos{-z(ysinθ+xcosθ)/(z²y²+z²x²+y²x²sin²θ+y⁴cos²θ-zy³xsinθcosθ)^1/2}；

所述支管探头夹角为：

arccos[-zx/(z²y²+z²x²+y²x²sin²θ+y⁴cos²θ-zy³x sinθcosθ)^1/2]。

其中，所述二面角为α，焊接管件的截面坡口角为β；

当180°≥α≥135°时,β＝α-90°；

当135°>α≥90°时,β＝45°；

当90°>α≥45°时,β＝45°-(90°-α)/2；

当45°>α≥30°时,β＝22.5°-(45°-α)22.5°/15°；

当30°>α≥15°时,β＝0°。

本发明的有益效果在于：一种声束在相贯线内传播的截面仿真方法和装置，包括坐标获得单元、角度获得单元、截面仿真单元和路径仿真单元；所述坐标获得单元，用于获得被声束扫查的相贯线上任意一点的坐标值；所述角度获得单元，用于根据所述坐标值，获得对应的相贯线的二面角和切线角；所述截面仿真单元，用于根据所述二面角和切线角，获得相贯线截面仿真图；所述路径仿真单元，用于根据所述相贯线截面仿真图，获得声束在相贯线内传播的路径仿真信息。该声束在相贯线内传播的截面仿真方法和装置，对超声波声束在相贯线内的传播路径进行仿真，帮助相贯线检测工艺的正确制定、提高超声波检测质量、保证产品寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的声束在相贯线内传播的截面仿真方法的方法流程图。

图2是本发明提供的利用声束在相贯线内传播的截面仿真方法设计的仿真软件界面图。

图3是本发明提供的声束在相贯线内传播的截面仿真装置的结构方框图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，其是本发明提供的声束在相贯线内传播的截面仿真方法的方法流程图。本发明实施例的声束在相贯线内传播的截面仿真方法，可应用于各类超声波探伤仪。

该声束在相贯线内传播的截面仿真方法，包括：

步骤S101、获得被声束扫查的相贯线上任意一点的坐标值。

其中，所述相贯线上任意一点A的坐标值为A(x、y、z)；

所述x＝ycosθ-r_bcosφ；

所述y＝(r² _m-r² _bsin²φ)^1/2；

所述z＝r_bsinφ；

其中，所述r_m为焊接管件的主管半径，r_b为焊接管件的支管半径，θ为焊接管件的主管与焊接管件的支管之间夹角，φ为声束扫查相贯线时对应的相贯线圆心角。

步骤S102、根据所述坐标值，获得对应的相贯线的二面角和切线角。

其中，所述二面角为主切面和支切面之间夹角，其中，所述主切面为经过A点、并对应焊接管件的主管的切面，所述支切面为经过A点、并对应焊接管件的支管的切面；

所述切线角包括主管探头夹角和支管探头夹角，所述主管探头夹角为椭圆面与主管轴线之间夹角，所述支管探头夹角为椭圆面与支管轴线之间夹角，所述椭圆面为经过A点、并沿着A点切线的法平面。

其中，所述二面角为：

arccos{r_bsin²φ+cosφcosθ[(r² _m-r² _bsin²φ)^1/2]}/r_m；

所述主管探头夹角为：

arccos{-z(ysinθ+xcosθ)/(z²y²+z²x²+y²x²sin²θ+y⁴cos²θ-zy³xsinθcosθ)^1/2}；

所述支管探头夹角为：

arccos[-zx/(z²y²+z²x²+y²x²sin²θ+y⁴cos²θ-zy³x sinθcosθ)^1/2]。

以下具体说明二面角、支管探头夹角、主管探头夹角的推导过程。

所述二面角为Dihedral_angle，

Dihedral_angle＝arccos{r_bsin²φ+cosφcosθ[(r² _m-r² _bsin²φ)^1/2]}/r_m；

所述支管探头夹角为probe_angle_b，

probe_angle_b＝arccos[-zx/(z²y²+z²x²+y²x²sin²θ+y⁴cos²θ-zy³xsinθcosθ)^1/2]；

所述主管探头夹角为probe_angle_m，

probe_angle_m＝arccos{-z(ysinθ+xcosθ)/(z²y²+z²x²+y²x²sin²θ+y⁴cos²θ-zy³x sinθcosθ)^1/2}。

主管外椭圆长轴为R_L_Ex_m,主管外半径为R_Ex_m，

R_L_Ex_m＝(R_Ex_m)/sin(probe_angle_m*pai/180)；

主管内椭圆长轴为R_L_In_m,主管内半径为R_In_m，

R_L_In_m＝(R_In_m)/sin(probe_angle_m*pai/180)；

支管外椭圆长轴为R_L_Ex_b,支管外半径为R_Ex_b，

R_L_Ex_b＝(R_Ex_b)/sin(probe_angle_b*pai/180)；

支管内椭圆长轴为R_L_In_b,主管内半径为R_In_b，

R_L_In_b＝(R_In_b)/sin(probe_angle_b*pai/180)。

以支管椭圆中心为坐标原点，那么：

支管外椭圆方程为：x²/R_L_Ex_b ²+y²/R_Ex_b²＝1；

支管内椭圆方程为：x²/R_L_In_b ²+y²/R_In_b²＝1。

主管椭圆中心点坐标为：(xm，ym)，那么：

xm＝gap+{R_Ex_m*sin[(180-Dihedral_angle)*pai/180]}；

ym＝{R_Ex_m*cos[(180-Dihedral_angle)*pai/180]}；

其中，gap为焊缝间隙。

主管外椭圆方程为：{(x-xm)cos[(180-Dihedral_angle)pai/180]+(y-ym)sin[(180-Dihedral_angle)pai/180)]²}/R_L_Ex_m²+{(y-ym)cos[(180-Dihedral_angle)pai/180]-(x-xm)sin[(180-Dihedral_angle)pai/180)]²}/R_Ex_m²＝1；

主管内椭圆方程为：{(x-xm)cos[(180-Dihedral_angle)pai/180]+(y-ym)sin[(180-Dihedral_angle)pai/180)]²}/R_L_In_m²+{(y-ym)cos[(180-Dihedral_angle)pai/180]-(x-xm)sin[(180-Dihedral_angle)pai/180)]²}/R_In_m²＝1。

步骤S103、根据所述二面角和切线角，获得相贯线截面仿真图。

所述二面角为α，焊接管件的截面坡口角为β；

当180°≥α≥135°时,β＝α-90°；

当135°>α≥90°时,β＝45°；

当90°>α≥45°时,β＝45°-(90°-α)/2；

当45°>α≥30°时,β＝22.5°-(45°-α)22.5°/15°；

当30°>α≥15°时,β＝0°。

以上设定符合AWS(American Welding Society、美国焊接协会)规范。

步骤S104、根据所述相贯线截面仿真图，获得声束在相贯线内传播的路径仿真信息。

请参考图2，其本发明提供的利用声束在相贯线内传播的截面仿真方法设计的仿真软件界面图。

利用声束在相贯线内传播的截面仿真方法设计的仿真软件：在设定相贯线工件基本信息之后，能形成相贯线的理论焊缝模型。对于固定距离的聚焦法则设置包括探头、楔块选择，角度范围，激发晶片等参数后，就能观测到360°焊缝的超声波覆盖情况。用2组乃至多组相控阵、不同距离、不同聚焦法则设置就能保证焊缝的全覆盖，以支持多组相控阵声束覆盖情况的综合显示，这样得到检测结果更准确。只用单探头模拟，对于对接缝钢件、T型缝钢件等适用，但是对于相贯线是不适用的。如果采用在点焊后、焊接前对实际工件坡口情况进行扫描，得到真实的3D焊缝坡口模拟图，将真实坡口导入软件当中，在检测过程再进行声束模拟，效果会更好。

本发明提供的利用声束在相贯线内传播的截面仿真方法支持多探头多聚焦法则的相控阵声束仿真模拟，可与单探头单聚焦法则模拟区分开，两者适用的场景不同。

本发明提供的利用声束在相贯线内传播的截面仿真方法支持相贯线焊缝的模型计算和声程计算，设定焊缝距离后，探头保持固定距离以圆心角为坐标360°声束仿真模拟。

本发明提供的利用声束在相贯线内传播的截面仿真方法可支持特殊条件的推荐设置，例如保持声束与坡口面尽量垂直；

本发明提供的声束在相贯线内传播的截面仿真方法，对超声波声束在相贯线内的传播路径进行仿真，帮助相贯线检测工艺的正确制定、极大的减少了对操作人员主观判断的依赖、降低误判率、提高超声波检测质量、保证产品寿命、减少工程事故发生和减少人民生命财产损失有着重大意义。

以下为本发明实施例提供的声束在相贯线内传播的截面仿真装置的实施例。声束在相贯线内传播的截面仿真装置的实施例与上述的声束在相贯线内传播的截面仿真方法实施例属于同一构思，声束在相贯线内传播的截面仿真装置的实施例中未详尽描述的细节内容，可以参考上述声束在相贯线内传播的截面仿真方法实施例。

请参考图3，其是本发明提供的声束在相贯线内传播的截面仿真装置的结构方框图。

该声束在相贯线内传播的截面仿真装置，包括：

坐标获得单元10，用于获得被声束扫查的相贯线上任意一点的坐标值；

角度获得单元20，用于根据所述坐标值，获得对应的相贯线的二面角和切线角；

截面仿真单元30，用于根据所述二面角和切线角，获得相贯线截面仿真图；

路径仿真单元40，根据所述相贯线截面仿真图，获得声束在相贯线内传播的路径仿真信息。

其中，所述相贯线上任意一点A的坐标值为A(x、y、z)；

所述x＝ycosθ-r_bcosφ；

所述y＝(r² _m-r² _bsin²φ)^1/2；

所述z＝r_bsinφ；

其中，所述r_m为焊接管件的主管半径，r_b为焊接管件的支管半径，θ为焊接管件的主管与焊接管件的支管之间夹角，φ为声束扫查相贯线时对应的相贯线圆心角。

其中，所述二面角为主切面和支切面之间夹角，其中，所述主切面为经过A点、并对应焊接管件的主管的切面，所述支切面为经过A点、并对应焊接管件的支管的切面；

所述切线角包括主管探头夹角和支管探头夹角，所述主管探头夹角为椭圆面与主管轴线之间夹角，所述支管探头夹角为椭圆面与支管轴线之间夹角，所述椭圆面为经过A点、并沿着A点切线的法平面。

其中，所述二面角为：

arccos{r_bsin²φ+cosφcosθ[(r² _m-r² _bsin²φ)^1/2]}/r_m；

所述主管探头夹角为：

arccos{-z(ysinθ+xcosθ)/(z²y²+z²x²+y²x²sin²θ+y⁴cos²θ-zy³xsinθcosθ)^1/2}；

所述支管探头夹角为：

arccos[-zx/(z²y²+z²x²+y²x²sin²θ+y⁴cos²θ-zy³x sinθcosθ)^1/2]。

其中，所述二面角为α，焊接管件的截面坡口角为β；

当180°≥α≥135°时,β＝α-90°；

当135°>α≥90°时,β＝45°；

当90°>α≥45°时,β＝45°-(90°-α)/2；

当45°>α≥30°时,β＝22.5°-(45°-α)22.5°/15°；

当30°>α≥15°时,β＝0°。

本发明提供的声束在相贯线内传播的截面仿真装置，对超声波声束在相贯线内的传播路径进行仿真，帮助相贯线检测工艺的正确制定、极大的减少了对操作人员主观判断的依赖、降低误判率、提高超声波检测质量、保证产品寿命、减少工程事故发生和减少人民生命财产损失有着重大意义。

一种声束在相贯线内传播的截面仿真方法和装置，对超声波声束在相贯线内的传播路径进行仿真，帮助相贯线检测工艺的正确制定、提高超声波检测质量、保证产品寿命。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括存储器、磁盘或光盘等。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种声束在相贯线内传播的截面仿真方法，其特征在于，包括：

获得被声束扫查的相贯线上任意一点的坐标值；

根据所述坐标值，获得对应的相贯线的二面角和切线角；

根据所述二面角和切线角，获得相贯线截面仿真图；

根据所述相贯线截面仿真图，获得声束在相贯线内传播的路径仿真信息。

2.根据权利要求1所述的声束在相贯线内传播的截面仿真方法，其特征在于，所述相贯线上任意一点A的坐标值为A(x、y、z)；

所述x＝ycosθ-r_bcosφ；

所述y＝(r² _m-r² _bsin²φ)^1/2；

所述z＝r_bsinφ；

其中，所述r_m为焊接管件的主管半径，r_b为焊接管件的支管半径，θ为焊接管件的主管与焊接管件的支管之间夹角，φ为声束扫查相贯线时对应的相贯线圆心角。

3.根据权利要求2所述的声束在相贯线内传播的截面仿真方法，其特征在于，

所述二面角为主切面和支切面之间夹角，其中，所述主切面为经过A点、并对应焊接管件的主管的切面，所述支切面为经过A点、并对应焊接管件的支管的切面；

所述切线角包括主管探头夹角和支管探头夹角，所述主管探头夹角为椭圆面与主管轴线之间夹角，所述支管探头夹角为椭圆面与支管轴线之间夹角，所述椭圆面为经过A点、并沿着A点切线的法平面。

4.根据权利要求3所述的声束在相贯线内传播的截面仿真方法，其特征在于，

所述二面角为：

arccos{r_bsin²φ+cosφcosθ[(r² _m-r² _bsin²φ)^1/2]}/r_m；

所述主管探头夹角为：

arccos{-z(ysinθ+xcosθ)/(z²y²+z²x²+y²x²sin²θ+y⁴cos²θ-zy³xsinθcosθ)^1/2}；

所述支管探头夹角为：

arccos[-zx/(z²y²+z²x²+y²x²sin²θ+y⁴cos²θ-zy³x sinθcosθ)^1/2]。

5.根据权利要求1所述的声束在相贯线内传播的截面仿真方法，其特征在于，所述二面角为α，焊接管件的截面坡口角为β；

当180°≥α≥135°时,β＝α-90°；

当135°>α≥90°时,β＝45°；

当90°>α≥45°时,β＝45°-(90°-α)/2；

当45°>α≥30°时,β＝22.5°-(45°-α)22.5°/15°；

当30°>α≥15°时,β＝0°。

6.一种声束在相贯线内传播的截面仿真装置，其特征在于，包括：

坐标获得单元，用于获得被声束扫查的相贯线上任意一点的坐标值；

角度获得单元，用于根据所述坐标值，获得对应的相贯线的二面角和切线角；

截面仿真单元，用于根据所述二面角和切线角，获得相贯线截面仿真图；

路径仿真单元，用于根据所述相贯线截面仿真图，获得声束在相贯线内传播的路径仿真信息。

7.根据权利要求6所述的声束在相贯线内传播的截面仿真装置，其特征在于，所述相贯线上任意一点A的坐标值为A(x、y、z)；

所述x＝ycosθ-r_bcosφ；

所述y＝(r² _m-r² _bsin²φ)^1/2；

所述z＝r_bsinφ；

其中，所述r_m为焊接管件的主管半径，r_b为焊接管件的支管半径，θ为焊接管件的主管与焊接管件的支管之间夹角，φ为声束扫查相贯线时对应的相贯线圆心角。

8.根据权利要求7所述的声束在相贯线内传播的截面仿真装置，其特征在于，

所述二面角为主切面和支切面之间夹角，其中，所述主切面为经过A点、并对应焊接管件的主管的切面，所述支切面为经过A点、并对应焊接管件的支管的切面；

所述切线角包括主管探头夹角和支管探头夹角，所述主管探头夹角为椭圆面与主管轴线之间夹角，所述支管探头夹角为椭圆面与支管轴线之间夹角，所述椭圆面为经过A点、并沿着A点切线的法平面。

9.根据权利要求8所述的声束在相贯线内传播的截面仿真装置，其特征在于，所述二面角为：

arccos{r_bsin²φ+cosφcosθ[(r² _m-r² _bsin²φ)^1/2]}/r_m；

所述主管探头夹角为：

arccos{-z(ysinθ+xcosθ)/(z²y²+z²x²+y²x²sin²θ+y⁴cos²θ-zy³xsinθcosθ)^1/2}；

所述支管探头夹角为：

arccos[-zx/(z²y²+z²x²+y²x²sin²θ+y⁴cos²θ-zy³x sinθcosθ)^1/2]。

10.根据权利要求6所述的声束在相贯线内传播的截面仿真装置，其特征在于，所述二面角为α，焊接管件的截面坡口角为β；

当180°≥α≥135°时,β＝α-90°；

当135°>α≥90°时,β＝45°；

当90°>α≥45°时,β＝45°-(90°-α)/2；

当45°>α≥30°时,β＝22.5°-(45°-α)22.5°/15°；

当30°>α≥15°时,β＝0°。