设计与工艺・Sheji yu Gongyi
基于Abaqus的超声波有限元仿真研究与
许文进榻伟明马加涛廖林何佳儒
(广东工业大学，广东广州510006)
摘要：简要介绍了在铝块中激励超声波的建模仿真过程，通过理论声速和仿真所得声速的比较验证仿真的准确性，并精确计算出采样点与缺陷之间的距离，同时提出了一种创建无限元(infinite elements)边界的方法，以减少声波在边界的反射。
关键词：超声波仿真；无限元边界；超声无Abaqus限元软件
0引言
超声波具有指向性好、灵敏度高、传播距离远、对人体无害等优点，在无损检测中发挥着重要作用。目前，超声无损检测技术己经在航天航空、石油化工、核工业、轨道桥梁等得了广，的超声
了，州限
出的Phascan[1]，时等结构；英国Plant Integrity公司研发的Teletest Focus系统[2]，可的缺陷。
出众多的无损检测设备，但是在无损许程得，
缺陷的[3]的界 [4]等超声波与的对超声无的
要意义，内容包括反散折衰减等规律。物理实验研究具有耗时长、设备成本高、干扰因素多等缺点，而数值仿真精高、方便高传阅性好、成本低等优点。常见的数值仿真包括有限差分法、有限体积法限元法等。基限元法的限元提供了一种操方便、结果可视化的
为了探超声波在固体中的传播特性及其在缺陷检测中的，本文利Abaqus2021仿真模拟超声波在铝块中的传播，声波速度以及缺陷与采样点之间的距离，并提出一种置无限元边界的方法。
1仿真参数的确定
1.1材料参数与模型尺寸
选择铝块作为仿真模型的材料，杨氏模量E=70GPa，泊松比"=0.33，密度p=2700kg/m@；铝块厚度#
$=10mm，宽L%=20mm，假长度方向的尺寸宽的数倍，则该铝块简化为二维模型，以减少仿真求的时间。
理论的纵波声速C h和横波声速C s由下式求得，计算得c h!6197.82m/s,c s!3121.92m/s。该边
C h=V y!(i+"p"$2")1.2激励信号 通常采用经H a nning窗调制的正弦函数作为超声探头的激励信号，一方面易于区分不同的波包，另一方以缩带宽进而减少散和降低，该函数的式为：$='sin(2!8))•#，0")"+
式中：'为幅值沈为中心频率；正整数"为正弦函数的周期数
本文选用频率(=10MHz，周期个数*=3，相应的纵波和横波波长分别为A l!0.62mm和"s!0.31mm。需要说明的Abaqus的激励信号是通过离散的数值而非析式输入的，为了使仿真计算结果准确，在利MATLAB、Exce l等工具生成时间信号数据时，时间采样率应尽量大，如取1000倍的
为保证数值计算的稳定性，网格边长"%应满足下式[5]，即"%"0.03875mm。为了进一步提高计算的准确性，本文选取"%=0.017mm，则每个横波波长占18个网格单元，网格 采中性轴算法，元型为CPE4R”。
"%"£"nil
8
式中:"皿为最短的波长，本文指"s。
1.4时间步长与仿真时间
时间步长")应满足下式[5]，即")"2.74289X10$3#s，选取"t=2.7X10$3$s，即信号采样率i,!370MHz。
%)"型
c max
式中:C mmx为传播最快的波的声速，本文指C l。
要求在铝块一点 离该点远的底面的回波，则仿真时间t span应满足下式，即t span#14.325$S。由于该值求解计算时间的长短和结果数据文件的，在的下，缩仿真时间。综合考虑，本文选取址皿=7.2$s，该值可以满足声速计算、声波传播特性等基本要求。
#2V+W
56机电信息2021年第12期总第654期
Sheji yu Gongyi♦设计与工艺
式中:C min为传播最慢的波的声速，本文指C s。
2仿真建模与结果分析
采用Standard/Explicit建模，在"分析步"模块中使用
“动力，显式”，激励信号幅值为"=10"^（取值过大可能造成
网格形变量过大而岀现计算错误），点源的载荷类型为集
中力，力的方向垂直于铝块上表面，并将点源置于铝块上
表面（10,10）处，一直径为#=0.6mm的缺陷位于（15,5）。
不同时刻质点振动总位移云图如图1所示，由图1（a）可
点源激励岀的表面波（R）波（L）波（S）,
波与缺陷，波（LL）转换横波（LS）。在
图1（b）中，纵波与底部和左右边界相互作用后，产生反射
波（LL）和转换横波（LS）。图1（c）中，横波与缺陷发生相互
作用，产生反射波（SS）和转换纵波（SL）。随着反射和波形
转换的-声波的造成分析。
于板类的厚度尺寸远小于，因此仿真建模
中置低反射边界，以尽可能减少左右两侧边射
波与转换波的岀现。为此，本文提供了一种创建无限元的
方并在一。
(a)<=1.5012ps U,Magnitude
+6.361e-12 lt+1.000e-12
—
L+7.500e-13
+6.667e-13—+5^00e Z13
+4.167e-13
+3.333e—13—+2.500e-13 .+1.667e-13■+8.333e-14■+0.000e+00
(b)Q2.2005ps
X
(c)f=3.0022pis
注:R、L、S分别表示表面波、纵波和横波-
JeT2
〜JeT2
丿67e-13
+8.333e-13
3e-13 U,Magnitude ~+0•爛
5+1.000(
撮翩
W-3二撥卿
B翩肖
翱：时
图1声波传播的快照
在激励点（10,10）处采集A扫描信号，如图2所示，纵坐为质点垂直方向上的位移-中的波形可能表面波波-网格过大时-现-因此，网格，以保证数值计算的稳定与准。图2中的时刻为波最大值最值的零点，激励信号的有效时间为以尸-%=0.3因此，仿真
Jc
计算所得纵波声速为Ccal=166.18m/s，相对误差为*=-0.51%；接收点与缺陷之间的距离为厶甘张$"-号j% 2!6.787mm，实际距离为'；=#52+52-£~6.771mm，相
对误差为爲””！0.24%。若要确定缺陷的位置，只需在另一位置采集信号，即可计算该点与缺陷之间的距离，此处不再展开分析。
4
~40
2
-2
X10'11
123456
t/s
图2点（10,10）处采集的A扫描信号
7
X106 3创建无限元边界
为了减少左右边界的反射与波形转换，本文提出一种快速创建无限元边界的方法，仿真参数与前文保持一致，基本的建模过程不再赘述，仅介绍变动和增补的操作：（1）在“部件”模块中，分别在左右边按网格边长切割岀一狭长区域作为无限元边界，以保证网格剖分时该区域仅有一层网格（图3）；（2）在“网格”模块中，指派仿真区域和边界区域的网格类型分别为CPE4R和CPS4R；（3）在“作业”模块中，建业并“写入输入文件”，此时在工目录生成了一个.inp文件（假设名称为Jobl.inp），通过“文件”"“导入”"“模型”操将jobl.inp导入软件中，在“网格”模块中，7装配”改选为“部件”（否则显示堆栈方向），利用“编辑网格”将边单的堆栈方向改为朝外（图3）；（4）在“工作”模块，创建新的工作，其中“来源”为当前的Jobl.inp,“写入输入文件”生成新的.inp文件（假设命名为Job2.inp）；（5）打开Job2.inp，将文档中的CPS4R改为CINPE4并；（6）将Job2.inp导入软件中，在"工作”模块中创建新的工，其中“来源”为当前的Job2.inp，交业进行计算即可。
图4为在左右两侧设置了无限元边界后的云图，左右两侧已经没明显的回波，说明该边是的低反
边界。
4结语
数值仿真实验是研究超声无损检测技术的重要方法，本文通过Abaqus模拟超声波在铝块中传播，发现理论纵波
机电信息2021年第12期总第654期
57
设计与工艺♦ Sheji yu Gongyi
单层网格边界
B1
单层网格边界
B2
图3无限元边界区域划分示意图图4左右两侧含无限元边界,!=2.201 7 “S 时刻的快照
声速与仿真结果的相对误差仅为-0.51%，并准确地测量出 采样点缺陷之间的距离
降低左右边界反射回波带
来的干扰，提出了无限元边界的创建方法，并给出了详细 操作步骤，结果表明该边界具有非常好的“吸”声能力。
［参考文献］
［1］李强，郑小康，钟钦伟，等.机车T 型管接头焊缝的相控阵声检测[J].无 检测,2020,42(7)： 13-15.
[2] STEPINSKI T. Structural Health Monitoring of Piping
in Nuclear Power Plants-A Review of Efficiency of
Existing Methods [R]. Stockholm : Swedish Radiation
Safety Authority, 2011.
[3] YUAN M, ZHANG J H, SONG S J,et al. Numerical
simulation of Rayleigh wave interaction with surface closed cracks under external pressure[J].
Wave Motion, 2015, 57:143-153.
[4] WANG H P,NI Y Q,DAI J G,et al. Interfacial debon
ding detection of strengthened steel structures by using smart CFRP-FBG composites [J]. Smart
Materials and Structures, 2019, 28(11):115001.
[5] LOWE M J S, ALLEYNE D N, CAWLEY P. The Mode Conver
sion of a Guided Wave by a Part-Circumferential
Notch in a Pipe[J].Journal of Applied Mechanics, 1998,65(3) : 649-656.
收稿日期= 2021-03-17
作者简介：许文进(1995—)，男，广东惠州人，硕士研究 生，研究方
声无检、声导波 、声成像算法。
(上接第55页)
图3内部工装整体结构示意图
对其成品保护情况进行检查。车间内成品区应有明显标 志，竖井井口埋件放置在垫平的木方上面，木方上不得有 油污、铁屑、铁钉或其他可能使不锈钢发生污染的杂物，成
品区内需覆盖篷布，严禁相邻的埋件相互叠压而造成埋件
变形。
4结语
通过对竖井井口埋件制作关键工艺的质量控制，预制
完成的56个竖井井口埋件符合设计制作 /内测量和外部机加工，竖井井口埋件
设计要
。在制作前进行施工难点分析，并在过中进行控，在
成品预制完成 ， 相应的成品保护工作，可 造成
的污染、变形。
竖井井口埋件制作可以在
的选择上进行改进，上、中、下段板材厚度均选择为S =30 m +。同样厚度的板材焊 施工 不
施工相 ， 变形的
风险。在机加工过 中，如出现切削量过大的情况，仍可以
竖井井口 埋件
， 能保 制作
质量，又能保证施工进度。高温气冷堆示范工程乏燃料
竖井井口埋件制作的成 ， 工 设
的制作
进 ， 行
60万kW 高温气冷堆工程建设打下了坚实的基础。
［参考文献］
［1］ 刘继国，律光照，孙德刚，等.100 MW 高温气冷实验堆乏燃
件
设计［J ］. 通，1995，5(7)：
18-20.
［2］ 陈伯清.高温气冷堆的技术特点与发展前景［J ］.引进与
， 2006(12) 3-4.
［3］ 黄有良.建筑工程的质量控制［J ］.中国西部科技，2016
(10) 26-28.
［4］ 陈春鹏.项目安装施工质量管理研究一以天铁冷轧视
频监控
安装例［D ］.济南：山东大学,2011.
收稿日期：2021-03-03
作者简介：王印(1985-)，男，辽宁昌图人，工程师，从事
核电安装质量管理工作。
58 机电信息2021年第12期总第654
期
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议