钢轨踏面斜裂纹低频表面波检测方法

2010-12-04张在东赵俊岩

无损检测 2010年8期

门平，卢超，张在东，赵俊岩

（1.南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室，南昌 330063；2.中国人民解放军海军92601部队，湛江 524009）

钢轨踏面斜裂纹不同于以往的鱼鳞状剥离裂纹，发展严重时将导致钢轨的横向断裂而危及行车安全［1］。由于这种表面斜裂纹在工程中大量存在，因此对其进行研究具有非常实际的意义［2］。图1所示为一段带有踏面斜裂纹的钢轨［3］。

由于钢轨踏面是一圆弧边的声波导，在钢轨表面传播的表面波实质为一类导波，具有多个接近的模式，在使用表面波检测钢轨踏面斜裂纹时，模式的选择至关重要。使用有限元模拟带有不同类型裂纹的模型，分析裂纹深度、角度与响应的关系，表面波在钢轨踏面斜裂纹处的传播具有低通效应，表面波高频截止频率与缺陷的深度变化如图2所示［4］。

在有限元模拟的基础上，通过试验来验证此模拟方法的可行性和有效性。首先使用事先准备的试块来验证，再在钢轨类型为60kg／m 的钢轨上，人工加工不同的踏面裂纹进行检测，将检测结果与模拟结果进行比较。

图1 带有踏面斜裂纹的钢轨

1 钢轨踏面裂纹频谱法检测有限元模拟

1.1 建立模型

用Abaqus软件瞬态动力学模块进行模拟［5］，尺寸500mm×95mm×80mm，划分的网格为正方形结构体，边长为0.5mm。选择钢做模型材料，声波传播的纵波速度为vL＝5 900m／s，横波速度为vs＝3 100m／s，表面波速度为vR＝2 996m／s。材料参数：杨氏模量E＝200GPa，密度ρ＝7 850kg／m3，泊松比υ＝0.32，时间步长为0.166 6μs。裂纹在模型的中间位置，宽度为0.5mm，信号发射位置在距离裂纹左端80 mm 处，接收信号在距离裂纹右端80mm 处。模型局部结构如图3所示。

图2 表面波高频截止频率随表面缺陷深度的变化

图3 表面开口斜裂纹模型部分结构

1.2 选取激励信号

为了方便模拟，选取0.3 MHz的激发频率，其对应表面波波长近10mm，因此能够检测到深度约10mm的开口裂纹。激励信号P（t）的表达式如式（1）所示：

式中τ为信号脉冲时间，τ＝10μs；A为幅度大小，A＝1；ν为高斯函数的形状调节参数，这里取2.5。

1.3 设定边界条件

为保证波动模拟的可靠性与真实性，必须在人工截断边界上加上适当的人工边界条件。综合考虑现有的边界条件和对各种波型的吸收效果，选用了Sarmar于1988年提出的吸收边界和刘晶波［6］提出的等效二维一致粘弹性边界的组合。Sarmar吸收边界即在边界向计算区域内若干层单元上添加瑞利阻尼，形成边界阻尼区。

1.4 模拟结果

1.4.1 直裂纹高频截止频率和深度的对应关系

模拟过程中选用中心频率为0.3 MHz的表面波信号，频带宽度为0～0.6 MHz，最大频率对应的波长将近5mm。模拟过程中取裂纹深度范围为2～16 mm，观察不同深度的裂纹对透射波频率的影响。

对接收到的信号进行频谱分析，对频率吸收处进行放大，可以得出截止频率随深度的变化规律。随着裂纹深度的增加，接收到信号的截止频率逐渐减小。表1是不同深度裂纹对应的截止频率，图4为对应深度－吸收频率曲线。可以看到，裂纹的深度和截止频率近似成一个反比例函数的关系。

表1 不同深度裂纹对应的截止频率列表

图4 直裂纹截止频率和深度的对应关系曲线图

1.4.2 角度相同深度不同的斜裂纹模拟

为了更好地说明表面波在斜裂纹上的散射和波型转换特征，此处选取了不同时刻的波场快照。图5模型中的裂纹深度为6mm，倾斜角为30°，对应的扩展长度为12 mm。激发信号垂直入射到固体中会产生纵波（L），横波（S），瑞利表面波（R）。

图5（a）中显示的是表面波传播到裂纹时刻的波场快照图，表面波的能量主要集中在1～2个波长范围内，在此处用的激发信号依然为0.3 MHz的低频信号，对应的波长近似为10mm。在48μs的时候，实现了表面波和横波的分离，掠面纵波传播得很快，已经被接收点接收。

图5（b）和（c）中显示的是表面波在倾斜裂纹上的散射阶段的两个不同时刻。表面波的能量聚集在12mm 范围内，此处的模型深度只有6mm。从图中可以看出，表面波深层的能量先到达裂纹的尖端，直接沿裂纹的尖端衍射过裂纹沿表面继续传播，能量很大。另一部分表面波是沿裂纹左端的表面传播，然后沿着裂纹表面爬行，一直到绕射到裂纹的尖端直至裂纹的另一个表面。很显然，后者所经历的时间长于前一部分表面波，因而在接收点会出现两个不同时刻的表面波。

从图5（c）中还可以看出，沿裂纹表面爬行的表面波在裂纹尖端的散射情况比较复杂，近似于直裂纹尖端的散射，相当一部分的能量发生了波型转换，转化为横波，被吸收边界所吸收。相比之下，直接到达裂纹尖端这部分表面波基本没有发生散射。

图5（d）中显示的是接收点波场快照图，到达接收点的表面波中包含两个部分，一部分为沿裂纹尖端直接到达的表面波，另一部分是沿裂纹表面爬行被接收到的表面波。

为了研究截止频率随着斜裂纹深度的改变而变化的规律，选取了5～10mm 深，倾角为30°的模型来进模拟分析。对接收到的信号进行频谱分析，表2列出了不同裂纹深度对应的截止频率，图6为对应的关系曲线。可以看出，裂纹的深度和对应的截止频率近似成一个反比例函数的关系。

表2 30°角斜裂纹不同深度对应的截止频率列表

图6 30°角斜裂纹截止频率随深度变化的曲线图

2 钢轨踏面开口斜裂纹表面波频谱法测量试验

2.1 以试块为检测对象进行试验验证

裂纹的倾角为25°，深度依次为3，5，7mm。对试验过程中所测得的表面波通过傅里叶变换的方法做频谱分析，表3列出了不同深度斜裂纹对应的截止频率。可以看出，在角度相同的表面开口斜裂纹中，裂纹对应的截止频率随深度的增大而减小，根据前文中模拟的结果可以知道，角度相同的斜裂纹，深度越大，对应的扩展长度也越长，因而截止频率也越低，与模拟中的结果相符合。

表3 角度相同、深度不同的斜裂纹试验结果

2.2 以60 kg／m 钢轨踏面人工表面开口斜裂纹试验验证

对钢轨踏面人工模拟表面开口斜裂纹进行超声表面波频谱法检测，而此处是模拟实际钢轨裂纹沿轨头斜向下切的，是一种立体裂纹。选取长度分别为5，6，7mm 的裂纹，利用频谱法进行检测，结果如表4所示。

表4 钢轨踏面人工斜裂纹频谱法检测结果

可以看出，裂纹扩展长度和截止频率对应的关系并不是十分明显，原因是此处裂纹是一个面状裂纹，表面波在裂纹面上传播过程中，散射过程并不是有限元模拟中二维平面上所呈现的散射特性，因而导致结果的偏差。但是综合考虑透射波的幅度和截止频率的大小，基本上可以得到截止频率与裂纹长度的关系。如何实现不规则面状裂纹的准确定量，还有待于进一步的研究。