【摘 要】
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轨道交通列车关键部位内部缺陷的超声相控阵快速有效检测对列车安全运行极为重要。本文针对中厚板低碳钢深度缺陷复杂的声学特征与缺陷显示,通过相控阵声场有限元仿真进行检测参数仿真优化研究,同时就不同因素对声场传播的影响进行仿真研究,进一步阐述缺陷与相控阵声场的相互作用,结合相控阵检测原理,对相控阵探头与缺陷试块进行设计,分析不同因素对深度缺陷相控阵检测结果的影响,结合仿真结果,阐明低碳钢深度缺陷的声场作用
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轨道交通列车关键部位内部缺陷的超声相控阵快速有效检测对列车安全运行极为重要。本文针对中厚板低碳钢深度缺陷复杂的声学特征与缺陷显示,通过相控阵声场有限元仿真进行检测参数仿真优化研究,同时就不同因素对声场传播的影响进行仿真研究,进一步阐述缺陷与相控阵声场的相互作用,结合相控阵检测原理,对相控阵探头与缺陷试块进行设计,分析不同因素对深度缺陷相控阵检测结果的影响,结合仿真结果,阐明低碳钢深度缺陷的声场作用机理对相控阵检测效果的影响,进一步明确基于相控阵的深度缺陷检测优化准则,并基于Open GL实现中厚板低碳钢深度缺陷的三维可视化。以上研究对于中厚板内部缺陷的超声相控阵检测在轨道列车中的应用有实际指导意义。基于相控阵声场有限元仿真模型,通过分析聚焦声场图与声压分布图,研究了不同探头参数对相控阵聚焦声场的影响,结果表明,较大的阵元数目、较高的阵元频率有着较好的焦区尺寸,较大的阵元数目、较低的阵元频率、较大的阵元宽度及间隙其聚焦声场中心声压幅值更高,且随着阵元宽度和阵元间隙的增大,中心声压幅值有着较小程度的提升,同时阵元宽度的改变对于焦区尺寸影响较小,而阵元间隙的改变对焦区尺寸优化并无作用。同时研究了不同缺陷因素对声场传播的影响规律,通过分析不同缺陷模型内部声场分布云图及换能器组件电压波形图得到,声波在不同形状缺陷处反射后的传播方向与能量分布有较大的差异,长条状缺陷模型的缺陷回波信号与底面回波信号高于圆孔状缺陷,长条状缺陷对于相控阵声场在竖直方向上的反射作用更强,换能器接收的缺陷回波与底面回波信号更强;缺陷的宽度尺寸影响着声场与缺陷的衍射作用,随着缺陷宽度的减小,声影区大小随之提高,同时换能器接收到的底面回波电压信号随之降低;不同的缺陷间距对于第二处缺陷回波的接收产生影响,并不影响底面回波信号相同,缺陷间距的改变影响着第二处缺陷的声波反射与衍射时间;不同的聚焦深度其激励信号的延时算法不同,且聚焦深度高于缺陷位置时,缺陷回波信号较弱,低于缺陷位置时,缺陷回波信号较强,但同时带来的信号干扰作用较大。在获得超声相控阵缺陷检测的仿真结果后,设计了两种参数不同的相控阵探头,两组探头主要参数阵元数和中心频率分别为64阵元-15MHz、32阵元-5MHz,并分别匹配了不同的楔块。通过分析不同探头参数及缺陷因素下的声场灵敏度和分辨力对比相控阵检测效果,较大的阵元数目、较低的阵元频率和较大的主轴孔径其声场灵敏度较高,同时较大的阵元数目、较高的阵元频率和较大的主轴孔径其声场分辨力较高;在缺陷处的反射较为集中的声场具有更高的检测灵敏度与分辨力,较小的衍射作用其接受的底面回波信号较低,同时相控阵声场对尺寸较大的缺陷的检测效果较好,声场对细小缺陷的检测灵敏度与分辨力可以通过调节探头参数提高,另外聚焦深度接近缺陷深度时的相控阵检测效果最佳。最后基于三维数据库Open GL实现相控阵检测数据在几何结构中的三维显示,其缺陷三维显示结果清晰直观,分析了不同缺陷的三维显示效果,相控阵检测效果越好,三维显示结果越可靠。
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