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標(biāo)題: 鋼軌踏面斜裂紋低頻表面波檢測(cè)方法研究 [打印本頁(yè)]
          

          
作者: 海天一色    時(shí)間: 2014-2-17 14:10
          
標(biāo)題: 鋼軌踏面斜裂紋低頻表面波檢測(cè)方法研究
           本帖最后由 海天一色 于 2014-2-18 21:07 編輯 
          

          
1引言
          
隨著列車(chē)運(yùn)行速度的提高及軸重的變化，輪軌相互作用下的滾動(dòng)接觸疲勞傷損類(lèi)型及傷損發(fā)展特點(diǎn)也在發(fā)生變化。2002年12月廣深線曲線半徑為1 000 m的上股鋼軌，先后有2處由踏面斜裂紋導(dǎo)致鋼軌橫向斷裂，其斜裂紋和橫向疲勞斷裂的形貌特征與英國(guó)鐵路大量出現(xiàn)的滾動(dòng)接觸疲勞(RCF)裂紋基本相似。踏面斜裂紋不同于以往的魚(yú)鱗狀剝離裂紋，發(fā)展嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致鋼軌的橫向斷裂而危及行車(chē)安全，這一現(xiàn)象已引起我國(guó)鐵路工務(wù)部門(mén)的高度重視[1]。由于這種表面斜裂紋缺陷在工程中的大量存在, 因而, 對(duì)工程中表面斜裂紋問(wèn)題的研究具有非常實(shí)際的意義[2]。
          
圖1表示一段帶有踏面斜裂紋的鋼軌[3]。
          

          
由于鋼軌踏面是一圓弧邊的聲波導(dǎo)，在鋼軌表面?zhèn)鞑サ谋砻娌▽?shí)質(zhì)為一類(lèi)導(dǎo)波，具有多個(gè)接近的模式，在使用表面波檢測(cè)鋼軌踏面斜裂紋時(shí)，模式的選擇就至關(guān)重要。使用有限元模擬帶有不同類(lèi)型裂紋模型，分析裂紋深度、裂紋角度與裂紋深度的關(guān)系，表面波在鋼軌踏面斜裂紋處的傳播具有低通效應(yīng)，表面波高頻截止頻率與缺陷的深度變化如圖2所示[4]。
          

          

          [attach]8309[/attach]

          

          

          
在有限元模擬的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證此模擬方法的可行性和有效性，首先使用事先準(zhǔn)備的試塊來(lái)驗(yàn)證，再在鋼軌類(lèi)型為60Kg/m的鋼軌人工加工不同的踏面裂紋進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果與試塊上的檢測(cè)結(jié)果及模擬結(jié)果進(jìn)行比較。
          

          
2鋼軌踏面裂紋頻譜法檢測(cè)有限元模擬
          

          
2.1模型的建立
          

          
用ABAQUS軟件瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)模塊進(jìn)行模擬[5]，模型長(zhǎng)500mm，寬95mm，厚80mm，劃分的網(wǎng)格為正方形結(jié)構(gòu)體，邊長(zhǎng)為0.5mm。選擇鋼做模型材料，聲波傳播的縱波速度為Vp=5900m/s，橫波速度為Vs=3100m/s ，表面波速度為VR=2996m/s，材料參數(shù)：楊氏模量E=200GPa, 密度ρ=7850kg/m3 ,泊松比 =0.32，時(shí)間步長(zhǎng)為0.1666 。裂紋在模型的中間位置，寬度為0.5mm，信號(hào)發(fā)射位置在距離裂紋左端80mm處，接收信號(hào)在距離裂紋右端80mm處。模型局部結(jié)構(gòu)如圖3所示。
          

          

          [attach]8312[/attach]

          

          
2.2激勵(lì)信號(hào)的選取
          
為了模擬的方便，本文選取了0.3M的激發(fā)頻率。取鋼中表面波聲速為2996m/s，則對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)將近10mm，因此能將檢測(cè)到深度約10mm的開(kāi)口裂紋，相當(dāng)與EV標(biāo)準(zhǔn)中的軌頭踏面重傷裂紋。激勵(lì)信號(hào) 的表達(dá)式如(1)式所示： 
          
 公式 (1)為信號(hào)脈沖時(shí)間10 ，A為幅度大小為1， 為高斯函數(shù)的形狀調(diào)節(jié)參數(shù)，這里取2.5。
          

          
2.3邊界條件的設(shè)定
          

          
為了保證波動(dòng)模擬的可靠性與真實(shí)性，必須在人工截?cái)噙吔缟霞由线m當(dāng)?shù)娜斯み吔鐥l件。綜合考慮現(xiàn)有的邊界條件和對(duì)各種波型的吸收效果，本文選用了Sarmar于1988年提出的吸收邊界和劉晶波[6]提出的等效二維一致粘彈性邊界的組合。Sarmar吸收邊界即使在邊界向計(jì)算區(qū)域內(nèi)若干層單元上添加瑞利阻尼，形成邊界阻尼區(qū)。
          

          
2.4模擬結(jié)果
          

          
2.4.1直裂紋高頻截止頻率和深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系
          

          
模擬過(guò)程中選用中心頻率為0.3MHz的表面波信號(hào)，頻帶寬度為0～0.6MHz，最大頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)將近5mm。模擬過(guò)程中取裂紋深度范圍為2～16mm，觀察不同深度的裂紋對(duì)透射波頻率的影響。
          

          
對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，對(duì)頻率吸收處進(jìn)行放大可以得出截止頻率隨深度的變化規(guī)律。隨著裂紋深度的增加，接收到信號(hào)的截止頻率逐漸減小。表1所記錄的就是不同深度裂紋對(duì)應(yīng)的截止頻率。結(jié)合表1和圖4的關(guān)系曲線圖可以得出，裂紋的深度和截止頻率近似成一個(gè)反比例函數(shù)的關(guān)系。
          

          

          [attach]8311[/attach]

          

          
2.4.2角度相同深度不同的斜裂紋模擬
          
為了更好的說(shuō)明表面波在斜裂紋上的散射和波型轉(zhuǎn)換特征，此處選取了不同時(shí)刻的波場(chǎng)快照。圖5模型中的裂紋深度為6mm，傾斜角為30度，對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展長(zhǎng)度為12mm。激發(fā)信號(hào)垂直入射到固體中會(huì)產(chǎn)生縱波(P)，橫波(S)，瑞利表面波(R)。
          

          

          [attach]8313[/attach]

          

          

          
圖5(a)中顯示的是表面波傳播到裂紋時(shí)刻的波場(chǎng)快照?qǐng)D，表面波的能量主要集中在1～2個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，在此處用的激發(fā)信號(hào)依然為0.3M的低頻信號(hào)，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)近似為10mm。在48 的時(shí)候，實(shí)現(xiàn)了表面波和橫波的分離，掠面縱波傳播的很快，已經(jīng)被接收點(diǎn)接收。
          

          
圖5(b)和圖5(c)中顯示的是表面波在傾斜裂紋上的散射階段的兩個(gè)不同時(shí)刻。表面波的能量聚集在12mm范圍內(nèi)，此處的模型深度只有6mm。從圖中可以看出，表面波深層的能量先到達(dá)裂紋的尖端，直接沿裂紋的尖端衍射過(guò)裂紋沿表面繼續(xù)傳播，能量很大。另一部分表面波是沿裂紋左端的表面?zhèn)鞑ィ缓笱刂鸭y表面爬行，一直到繞射到裂紋的尖端直至裂紋的另一個(gè)表面。很顯然，后者所經(jīng)歷的時(shí)間長(zhǎng)于前一部分表面波，因而在接收點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)不同時(shí)刻的表面波。
          

          
從圖5(c)中還可以看出，沿裂紋表面爬行的表面波在裂紋尖端的散射情況比較復(fù)雜，近似于直裂紋尖端的散射，相當(dāng)一部分的能量發(fā)生了波型轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為橫波，被吸收邊界所吸收。相比之下，直接到達(dá)裂紋尖端這部分表面波基本沒(méi)有發(fā)生散射。
          
圖5(d)中顯示的是接收點(diǎn)波場(chǎng)快照?qǐng)D，到達(dá)接收點(diǎn)的表面波中包含兩個(gè)部分，一部分為沿裂紋尖端直接到達(dá)的表面波，另一部分是沿裂紋表面爬行被接收到的表面波。
          

          
為了研究截止頻率隨著斜裂紋深度的改變而變化的規(guī)律，本文選取了5～10mm深度傾角為30度的模型來(lái)進(jìn)模擬分析。對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，表2列出了不同裂紋深度對(duì)應(yīng)的截止頻率；圖6為對(duì)應(yīng)的關(guān)系曲線圖，可以看出，裂紋的深度和對(duì)應(yīng)的截止頻率近似成一個(gè)反比例函數(shù)的關(guān)系。
          

          

          [attach]8314[/attach]

          

          
3鋼軌踏面開(kāi)口斜裂紋表面波頻譜法測(cè)量的實(shí)驗(yàn)分析
          

          
3.1以試塊為檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
          

          
圖7所示為三號(hào)試塊實(shí)物圖，裂紋的傾角為25度，深度依次為3mm、5mm、7mm。對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所測(cè)得的表面波通過(guò)傅立葉變換的方法做頻譜分析，表3列出了不同深度斜裂紋對(duì)應(yīng)的截止頻率。從表3中可以看出，在角度相同的表面開(kāi)口斜裂紋中，裂紋對(duì)應(yīng)的截止頻率隨深度的增大而減小，根據(jù)前文中模擬的結(jié)果可以知道，角度相同的斜裂紋，深度越大，對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展長(zhǎng)度也越長(zhǎng)，因而截止頻率也越低，與模擬中的結(jié)果相符合。圖8為檢測(cè)裝置圖。
          

          

          [attach]8315[/attach]

          
[attach]8316[/attach]
          

          

          
3.2以60Kg/m鋼軌踏面人工表面開(kāi)口斜裂紋實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
          
對(duì)鋼軌踏面人工模擬表面開(kāi)口斜裂紋進(jìn)行超聲表面波頻譜法進(jìn)行檢測(cè)，而此處是模擬實(shí)際鋼軌裂紋沿軌頭斜向下切的，是一種立體裂紋。選取長(zhǎng)度分別為5mm、6mm、7mm的裂紋利用頻譜法進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表4所示。
          

          

          [attach]8317[/attach]

          

          

          
從表4可以看出，裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度和截止頻率對(duì)應(yīng)的關(guān)系并不是十分明顯，原因是此處裂紋是一個(gè)面狀裂紋，表面波在裂紋面上傳播過(guò)程中，散射過(guò)程并不是有限元模擬中二維平面上所呈現(xiàn)的散射特性，因而導(dǎo)致結(jié)果的偏差。但是綜合考慮透射波的幅度和截止頻率的大小，基本上可以對(duì)得到的截止頻率與裂紋長(zhǎng)度的關(guān)系。如何實(shí)現(xiàn)不規(guī)則面狀裂紋的準(zhǔn)確定量，還有待于進(jìn)一步的研究。
          

          
4結(jié)論
          

          
采用有限元模擬表面波在鋼軌踏面裂紋的傳播及波形轉(zhuǎn)換，使用頻譜分析對(duì)不同裂紋深度的進(jìn)行模擬檢測(cè)，通過(guò)人工試塊和在鋼軌踏面加工人工裂紋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：
          
（1）使用有限元模擬表面波在鋼軌踏面斜裂紋上的散射及波形轉(zhuǎn)換是可行的，能夠?yàn)槭褂玫皖l表面波檢測(cè)鋼軌踏面裂紋提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。
          
（2）通過(guò)模擬，對(duì)鋼軌踏面斜裂紋的檢測(cè)，激發(fā)頻率至關(guān)重要，要選取適當(dāng)?shù)念l率，兼顧檢測(cè)靈敏度和檢測(cè)深度的需要，在厚度一定時(shí)，頻率過(guò)低，表面波模式比較單一，但埋深很淺的裂紋出現(xiàn)漏檢，頻率過(guò)高，模式選擇比復(fù)雜，表面深出的裂紋很難檢到。
          
（3）通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，鋼軌踏面開(kāi)口裂紋對(duì)表面波的傳播具有低通效應(yīng)，即裂紋的深度與表面波的高頻截止頻率成反比。
          
（4）通過(guò)模擬，表面波在傳播過(guò)程中，沿裂紋包羅傳播的表面波含有裂紋的深度信息，這些信息，是進(jìn)行鋼軌踏面開(kāi)口斜裂紋深度反演的重要依據(jù)。
          
參考文獻(xiàn)
          
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（4）        王敬時(shí)，徐曉東．利用激光超聲技術(shù)研究表面微裂紋缺陷材料的低通濾波效應(yīng)[J]．物理學(xué)報(bào)，2008，12：7765-7768．
          
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（6）        劉晶波，谷音等．一致粘彈性人工邊界及粘彈性邊界單元[J]．巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28(9)：1070-1075．
          

          

          

          

          

          
作者簡(jiǎn)介：門(mén)平（1983-），男，在讀碩士研究生，助理工程師，專(zhuān)業(yè)方向：測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器，主要從事超聲無(wú)損檢測(cè)研究。
          
作者地址：江西省南昌市豐和南大道696號(hào)，南昌航空大學(xué)研究生院200806班，郵編：330063
          
         聯(lián)系人：門(mén)平，電話：0791-3328169，15979163994
          
         E-mail：[email protected]
          
回復(fù)后，可以下載論文word版哦~ 
          

          

          
作者: 獨(dú)釣長(zhǎng)江雪    時(shí)間: 2014-2-18 12:55
          
看看有沒(méi)有作者的聯(lián)系方式
          
作者: nde7225030    時(shí)間: 2014-2-18 14:22
          
贊一個(gè)
          
作者: 阿誠(chéng)    時(shí)間: 2014-2-18 16:12
          
呵呵，這是我?guī)熜值奈恼屡丁?hr noshade size="2" width="100%" color="#808080">
作者: myyeh    時(shí)間: 2017-12-16 09:25
          
謝謝
          
作者: wf122522    時(shí)間: 2018-7-17 15:33
          
222222
          
作者: nanchor    時(shí)間: 2022-2-22 08:30
          
不錯(cuò)，可以看看
          





          

          

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