CN105806270A - 一种材料表面微裂纹深度的检测方法 - Google Patents

一种材料表面微裂纹深度的检测方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105806270A
CN105806270A CN201610279591.XA CN201610279591A CN105806270A CN 105806270 A CN105806270 A CN 105806270A CN 201610279591 A CN201610279591 A CN 201610279591A CN 105806270 A CN105806270 A CN 105806270A
Authority
CN
China
Prior art keywords
crack
transducer
signal
model
surface micro
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201610279591.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN105806270B (zh
Inventor
宋国荣
肖珍
秦登千
吕炎
卢东
邢智翔
何存富
吴斌
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing University of Technology
Original Assignee
Beijing University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing University of Technology filed Critical Beijing University of Technology
Priority to CN201610279591.XA priority Critical patent/CN105806270B/zh
Publication of CN105806270A publication Critical patent/CN105806270A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105806270B publication Critical patent/CN105806270B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B17/00—Measuring arrangements characterised by the use of infrasonic, sonic or ultrasonic vibrations
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/048—Marking the faulty objects

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明公开了一种材料表面微裂纹深度的检测方法，属于无损检测技术领域。随着材料科学的不断向前发展，各种功能型材料不断涌现，材料表面裂纹缺陷在循环载荷作用下极易扩展，导致材料局部失效，进而对结构整体安全造成威胁。材料表面裂纹缺陷检测方法研究，不仅对材料完整性评价具有重要的研究意义，而且对结构健康安全监测具有重要的应用价值。建立双通道线聚焦超声换能器模型，分析不同裂纹深度时的接收信号，探究材料表面微裂纹检测的有效方法。本发明可消除材料上表面直接反射回波对接收信号的干扰，有利于从接收信号中更好地提取与缺陷相关的信息；可对材料的表面微裂纹位置进行检测；可对材料表面微裂纹深度进行定量表征。

Description

一种材料表面微裂纹深度的检测方法
技术领域
本发明设计一种基于PZFlex仿真软件的材料表面微裂纹深度检测方法，该方法主要用于线聚焦超声显微系统对小试件材料表面微裂纹缺陷的检测，属于无损检测技术领域。
背景技术
随着我国科学技术和工业生产水平的不断提高，各种新型设备和材料不断被开发出来并投入应用，因此，这些设备及材料在服役过程中的结构安全，使用可靠性也越来越引起人们的重视。表面裂纹是材料在表面张力的作用下产生的表层张裂现象。材料表面一旦出现裂纹，在外界载荷作用下表面裂纹底部分布的集中应力将会促使表面裂纹迅速生长最终导致材料报废，造成不可挽回的损失，因而表面缺陷的检测在航空及机械工业的材料无损检测领域占有极为重要的地位。超声检测技术因其探伤速度快、效率高、设备简单易操作、检测成本低、穿透能力大，因此在无损检测中应用广泛，同时也被广泛用来检测材料表面的缺陷。
为了达到以上目的，本发明利用有限元仿真软件，建立线聚焦超声换能器有限元分析模型，对材料表面微裂纹深度进行仿真分析，最终得到表面微裂纹深度的检测方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决线聚焦超声换能器在材料表面微裂纹检测的问题，提出一种裂纹深度的检测方法。具体步骤如下：
步骤1)：有限元分析模型材料及尺寸参数的选取。
压电材料实现超声波的激励和接收，本质是实现电能与机械能的转换，因此模型的核心部分为压电材料的选择及尺寸确定。为了增加换能器的频宽特性，提高能量的传输效率，模型选取压电材料PVDF作为激励/接收元件，Tungstenloadedepoxy,10％vf5.8Mray1(简称back10)为背衬，组成线聚焦换能器模型，换能器聚焦半径为20mm。
步骤2)：有限元分析模型建立。
基于PVDF线聚焦超声换能器，如图1所示，换能器由壳盖1、壳体2、导线3、PVDF压电薄膜4、背衬5、UHF接头6组成。壳盖1设置在壳体2的顶部，PVDF压电薄膜4设置在壳体2的底部；壳体2内填充有背衬5，UHF接头6设置在壳盖1的中间位置并通过导线与PVDF压电薄膜4连接。
将整块压电薄膜进行分割，建立双通道线聚焦超声换能器有限元模型，如图2所示，通道①为激励/接收电极，通道②为接收电极。该设计不仅可提高有限元模型处理速度，而且可消除材料上表面直接反射回波对接收信号的干扰，有利于从接收信号中更好地提取与缺陷相关的信息。为使声波在材料表面产生表面波，由斯涅耳定律，换能器半张角应大于材料的瑞利角。为了排除边界回波对信号的干扰，模型的边界设置为吸收边界，采用计算速度更快的标准矩形网格划分模型，模型网格划分时，单个波长里包含的网格数过少，接收的上表面回波信号拖尾现象严重；而单个波长里包含的网格数过多，又会导致计算时间过长。综合两方面因素，选取单个波长内包含50个网格划分模型，这样既能保证计算结果准确，消除信号拖尾现象，同时也能缩短计算时间。
步骤3)：材料表面微裂纹深度检测。
为了检测材料表面微裂纹深度，换能器置于试件上表面散焦测量位置处(3-8㎜)，试件上表面设置一定尺寸的裂纹缺陷(裂纹深度的取值范围为100-1000μm,裂纹宽度的取值范围为200-2000μm)，如图3所示，通道①激励2-8MHz超声波，到达试件表面转换为表面波，沿试件表面传播，然后与裂纹发生相互作用，进而被换能器接收，分析换能器接收的回波信号，即可得到裂纹的相关信息。
步骤4)：数据提取分析。
对换能器通道②接收的回波信号进行提取分析，得到某一裂纹深度时的回波信号，如图4所示。
步骤5)：波形信号传播路径分析
分析波形信号的传播路径，如图5所示，通道①激发超声波在液固表面转化为表面波R，表面波与裂纹缺陷作用，透过裂纹缺陷继续在试件上表面传播，称为透射表面波TR，然后以漏表面波的形式被换能器通道②接收，接收信号中的透射表面波包涵了裂纹深度的相关信息，求取有裂纹与无裂纹时透射表面波信号峰峰值之比定为透射系数。依次方法，可得到不同裂纹深度时的透射系数随深度变化的曲线图，由曲线图，得到表面波透射系数与裂纹深度之间的函数关系，即可对裂纹深度进行定量表征。
附图说明
图1PVDF线聚焦超声换能器示意图；
图2双通道线聚焦超声换能器有限元模型示意图；
图3激励信号的时频特性；
图4300μm裂纹深度时的回波信号；
图5波形信号传播路径；
图6不同裂纹深度时的回波信号；
图7表面波透射系数与裂纹深度关系曲线；
图中：1、壳盖，2、壳体，3、导线，4、PVDF压电薄膜，5、背衬，6、UHF接头。
具体实施方式
步骤1)：有限元分析模型材料及尺寸参数的选取。
结合实际及理论分析得到：为了增加换能器的频宽特性，提高能量传输效率，模型选取40μm厚压电材料PVDF薄膜作为激励/接收元件，Tungstenloadedepoxy,10％vf5.8Mray1(钨-环氧树脂，简称back10)为背衬，选取水作为耦合液，待测试件材料为铝，组成线聚焦换能器模型，换能器聚焦半径为20mm。材料特性如表1所示。
表1模型材料特性
步骤2)：有限元分析模型建立。
基于PVDF线聚焦超声换能器，如图1所示，将整块压电薄膜进行分割，建立双通道线聚焦超声换能器有限元模型，如图2所示，该设计不仅可提高有限元模型处理速度，而且可消除材料上表面直接反射回波对接收信号的干扰，有利于从接收信号中更好地提取与缺陷相关的信息。通道①为激励/接收电极，通道②为接收电极。由斯涅耳定律为使声波在液/固界面产生表面波，换能器半张角应大于瑞利角，模型以铝材为测试对象，铝的瑞利角为30°，为了覆盖更高的表面波波速，因此换能器全张角取80°。为排除边界回波及底面回波对信号的干扰，模型的四个边界设置为吸收边界，采用计算速度快的标准矩形网格划分模型。网格大小兼顾单个波长里包含的网格数过少，接收的上表面回波信号拖尾现象严重，计算误差大；单个波长里包含的网格数过多，又会导致计算时间过长两方面因素，选取单个波长内包含50个网格划分模型，既能保证计算结果准确，消除信号拖尾现象，同时也能缩短计算时间。
步骤3)：材料表面微裂纹深度检测。
在裂纹宽度检测中，保持裂纹宽度200μm不变，改变深度，依次为100μm、200μm、300μm、400μm、500μm。通道①激励5MHz超声波，激励信号时频特性如图3所示，激励信号到达试件表面转换为表面波，沿试件表面传播，然后与裂纹发生相互作用，进而被换能器接收，分析换能器通道②接收的回波信号，即可得到裂纹的深度信息。
步骤4)：数据提取分析。
分析通道②的接收回波信号，得到不同裂纹深度时的回波信号，如图6所示。
步骤5)：波形信号传播路径分析。
分析波形信号的传播路径，如图5所示，通道①激发超声波在液固表面转化为表面波R，表面波与裂纹缺陷作用，透过裂纹缺陷继续在试件上表面传播，称为透射表面波TR，然后以漏表面波的形式被换能器通道②接收，接收信号中的透射表面波包涵了裂纹深度的相关信息，求取有裂纹与无裂纹时透射表面波信号峰峰值之比定为透射系数，如表2所示。图7为透射系数随裂纹深度变化的结果，由图可见，表面波的透射系数与裂纹深度间呈现一定的函数关系，通过曲线拟合可以确定表面波的透射系数与裂纹深度间的关系曲线。
表2不同裂纹深度的表面波透射系数
从关系曲线可以得到：(1)通道②接收的表面波透射系数与裂纹深度呈函数关系；(2)当缺陷深度小于200μm时，随着裂纹深度的增加，透射系数下降明显，表明表面波的透射系数随深度的变化影响较大。因此根据不同材料表面波透射系数随裂纹深度变化的关系曲线，可对不同材料表面微裂纹深度进行定量表征。
本发明具有以下优点：
1)可消除材料上表面直接反射回波对接收信号的干扰，有利于从接收信号中更好地提取与缺陷相关的信息；
2)可对材料的表面微裂纹位置进行检测；
3)可对材料表面微裂纹深度进行定量表征。

Claims (1)

1.一种材料表面微裂纹深度的检测方法，其特征在于：具体步骤如下，
步骤1)有限元分析模型材料及尺寸参数的选取；
压电材料作为超声波换能器的激励和接收元件，本质是实现电能与机械能的转换，因此模型的核心部分为压电材料的选择及尺寸确定；为了增加换能器的频宽特性，提高能量的传输效率，模型选取压电材料PVDF薄膜作为激励/接收元件，钨-环氧树脂为背衬，组成线聚焦换能器模型，换能器聚焦半径为20mm；
步骤2)有限元分析模型建立；
基于PVDF线聚焦超声换能器，换能器由壳盖(1)、壳体(2)、导线(3)、PVDF压电薄膜(4)、背衬(5)、UHF接头(6)组成；壳盖(1)设置在壳体(2)的顶部，PVDF压电薄膜(4)设置在壳体(2)的底部；壳体(2)内填充有背衬(5)，UHF接头(6)设置在壳盖(1)的中间位置并通过导线与PVDF压电薄膜(4)连接；
将整块压电薄膜进行分割，建立双通道线聚焦超声换能器有限元模型，通道①为激励/接收电极，通道②为接收电极；该设计不仅可提高有限元模型处理速度，而且可消除材料上表面直接反射回波对接收信号的干扰，有利于从接收信号中更好地提取与缺陷相关的信息；为使声波在材料表面产生表面波，由斯涅耳定律，换能器半张角应大于材料的瑞利角；为了排除边界回波对信号的干扰，模型的边界设置为吸收边界，采用计算速度更快的标准矩形网格划分模型，模型网格划分时，单个波长里包含的网格数过少，接收的上表面回波信号拖尾现象严重；而单个波长里包含的网格数过多，又会导致计算时间过长；综合两方面因素，选取单个波长内包含50个网格划分模型，这样既能保证计算结果准确，消除信号拖尾现象，同时也能缩短计算时间；
步骤3)材料表面微裂纹深度检测；
为了检测材料表面微裂纹深度，换能器置于试件上表面散焦测量位置处，试件上表面设置一定尺寸的裂纹缺陷，通道①激励2-8MHz超声波，到达试件表面转换为表面波，沿试件表面传播，然后与裂纹发生相互作用，进而被换能器接收，分析换能器接收的回波信号，即可得到裂纹的相关信息；
步骤4)数据提取分析；
对换能器通道②接收的回波信号进行提取分析，得到某一裂纹深度时的回波信号；
步骤5)：波形信号传播路径分析
分析波形信号的传播路径，通道①激发超声波在液固表面转化为表面波R，表面波与裂纹缺陷作用，透过裂纹缺陷继续在试件上表面传播，称为透射表面波TR，然后以漏表面波的形式被换能器通道②接收，接收信号中的透射表面波包涵了裂纹深度的相关信息，求取有裂纹与无裂纹时透射表面波信号峰峰值之比定为透射系数；依此方法，可得到不同裂纹深度时的透射系数随深度变化的曲线图，由曲线图得到表面波透射系数与裂纹深度之间的函数关系，即可对裂纹深度进行定量表征。
CN201610279591.XA 2016-04-28 2016-04-28 一种材料表面微裂纹深度的检测方法 Active CN105806270B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610279591.XA CN105806270B (zh) 2016-04-28 2016-04-28 一种材料表面微裂纹深度的检测方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610279591.XA CN105806270B (zh) 2016-04-28 2016-04-28 一种材料表面微裂纹深度的检测方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105806270A true CN105806270A (zh) 2016-07-27
CN105806270B CN105806270B (zh) 2018-09-04

Family

ID=56458797

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610279591.XA Active CN105806270B (zh) 2016-04-28 2016-04-28 一种材料表面微裂纹深度的检测方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105806270B (zh)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106501038A (zh) * 2016-10-20 2017-03-15 中国船舶科学研究中心（中国船舶重工集团公司第七0二研究所） 表面预制裂纹深度的无损测量方法
CN107271548A (zh) * 2017-06-12 2017-10-20 西安交通大学 一种基于界面波的双层金属复合管的裂纹检测方法
CN108169341A (zh) * 2017-12-29 2018-06-15 江苏共昌轧辊股份有限公司 一种热轧工作辊辊面微裂纹深度的检测方法
CN108982666A (zh) * 2018-07-24 2018-12-11 北京工业大学 一种对板结构反射/透射系数的水浸超声无损测量方法
WO2019084975A1 (zh) * 2017-10-30 2019-05-09 江阴市恒润环锻有限公司 一种采用有限元网格划分方法进行裂纹分区域监测的法兰
CN110261473A (zh) * 2019-04-24 2019-09-20 武汉工程大学 基于有限元模型的超声相控阵微裂纹检测方法
CN110806443A (zh) * 2019-10-31 2020-02-18 上海工程技术大学 一种基于自组织统计模型的钢板裂纹评估方法
CN115078540A (zh) * 2022-07-04 2022-09-20 东南大学溧阳研究院 一种爬壁检测机器人的壁面无损检测系统及检测方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06148150A (ja) * 1992-11-11 1994-05-27 Agency Of Ind Science & Technol 音響映像による物体特性の計測方法及びその装置
JP2006084447A (ja) * 2004-09-17 2006-03-30 Toyota Motor Corp 超音波非破壊計測方法及びそれに用いる超音波非破壊計測装置
CN201034982Y (zh) * 2007-04-27 2008-03-12 北京工业大学 一种双层pvdf压电薄膜线聚焦超声探头
JP2012093246A (ja) * 2010-10-27 2012-05-17 Jfe Steel Corp 超音波プローブ及び欠陥検出方法
CN104807888A (zh) * 2015-04-13 2015-07-29 北京工业大学 一种用于微裂纹长度测量的非共线混频超声检测方法
CN204556578U (zh) * 2014-12-10 2015-08-12 北京工业大学 一种基于超声检测的非水浸装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06148150A (ja) * 1992-11-11 1994-05-27 Agency Of Ind Science & Technol 音響映像による物体特性の計測方法及びその装置
JP2006084447A (ja) * 2004-09-17 2006-03-30 Toyota Motor Corp 超音波非破壊計測方法及びそれに用いる超音波非破壊計測装置
CN201034982Y (zh) * 2007-04-27 2008-03-12 北京工业大学 一种双层pvdf压电薄膜线聚焦超声探头
JP2012093246A (ja) * 2010-10-27 2012-05-17 Jfe Steel Corp 超音波プローブ及び欠陥検出方法
CN204556578U (zh) * 2014-12-10 2015-08-12 北京工业大学 一种基于超声检测的非水浸装置
CN104807888A (zh) * 2015-04-13 2015-07-29 北京工业大学 一种用于微裂纹长度测量的非共线混频超声检测方法

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106501038A (zh) * 2016-10-20 2017-03-15 中国船舶科学研究中心（中国船舶重工集团公司第七0二研究所） 表面预制裂纹深度的无损测量方法
CN106501038B (zh) * 2016-10-20 2018-12-28 中国船舶科学研究中心（中国船舶重工集团公司第七0二研究所） 表面预制裂纹深度的无损测量方法
CN107271548A (zh) * 2017-06-12 2017-10-20 西安交通大学 一种基于界面波的双层金属复合管的裂纹检测方法
WO2019084975A1 (zh) * 2017-10-30 2019-05-09 江阴市恒润环锻有限公司 一种采用有限元网格划分方法进行裂纹分区域监测的法兰
CN108169341A (zh) * 2017-12-29 2018-06-15 江苏共昌轧辊股份有限公司 一种热轧工作辊辊面微裂纹深度的检测方法
CN108982666A (zh) * 2018-07-24 2018-12-11 北京工业大学 一种对板结构反射/透射系数的水浸超声无损测量方法
CN110261473A (zh) * 2019-04-24 2019-09-20 武汉工程大学 基于有限元模型的超声相控阵微裂纹检测方法
CN110806443A (zh) * 2019-10-31 2020-02-18 上海工程技术大学 一种基于自组织统计模型的钢板裂纹评估方法
CN115078540A (zh) * 2022-07-04 2022-09-20 东南大学溧阳研究院 一种爬壁检测机器人的壁面无损检测系统及检测方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN105806270B (zh) 2018-09-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105806270B (zh) 一种材料表面微裂纹深度的检测方法
CN106770664B (zh) 一种基于全聚焦成像算法改进边缘缺陷检测的方法
CN108226007B (zh) 一种基于超声双参数的碳纤维增强树脂基复合材料孔隙率表征方法
WO2019033466A1 (zh) 一种基于特征导波的焊缝缺陷检测压电阵列式柔性传感器及检测方法
CN104142195A (zh) 基于超声波法的钢结构构件内部初始应力检测装置和方法
CN105158339A (zh) 纵横波一体化超声波探头、弹性模量及分布的测试系统和测试方法
CN103837607B (zh) 一种超声波焊点检测有限元仿真分析方法
CN102207488A (zh) 横波tofd缺陷定位方法
Ma et al. The reflection of guided waves from simple dents in pipes
CN104764803A (zh) 基于超声波波长变化的材料应力检测技术
CN105353043A (zh) 基于abaqus的金属薄板微裂纹时间反转定位方法
CN107024535B (zh) 一种基于表面波的垂直缺陷的多系数深度检测方法
CN101126741A (zh) 临界折射纵波检测构件内部切向应力的辅助装置
CN104776819A (zh) 一种超声测厚方法
CN108918667A (zh) 一种楔体缺陷检测方法
CN106370733B (zh) 一种基于超声回波特征的焊点质量评价标准建立方法
CN111521136A (zh) 一种基于水平剪切波的钢筋混凝土结构裂缝深度检测方法及检测装置
CN107490446A (zh) 高铁轮对踏面应力超声无损检测方法
CN204214816U (zh) 一种利用超声波检测蠕墨铸铁蠕化率的装置
CN105044215A (zh) 一种非破坏性的材料声速现场测量方法
CN204807054U (zh) 一种超声波测厚仪
CN109030625B (zh) 一种复合材料粘接缺陷检测的装置及方法
CN105954355B (zh) 一种材料表面微裂纹宽度的检测方法
CN203949903U (zh) 一种检测汽轮机发电机合金轴瓦结合状态的超声波探头
CN113916165B (zh) 一种测量双层板各层厚度的Lamb波厚度共振方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant