大口径火炮身管药室内膛裂纹电磁超声表面水平剪切波检测方法

2021-09-23张金王学彬石文泽董子华邓海飞

兵工学报 2021年8期

张金，王学彬，石文泽，董子华，邓海飞

(1.陆军炮兵防空兵学院, 安徽合肥 230031; 2.南昌航空大学无损检测教育部重点实验室, 江西南昌 330063)

0 引言

身管内膛在火炮发射过程中处于高温高压和高速摩擦的环境中，使其产生了诸多损伤，其中微小的疲劳裂纹是较为常见的损伤形式。这种裂纹在射弹带来的循环应力下逐渐扩展，如不能准确检测微裂纹的尺寸及特征，便不能了解裂纹扩展进程，难以正确预估武器装备剩余使用寿命，不仅使火炮战术技术指标下降，甚至会发生炸膛等危险事故[1-2]。目前常用的身管内膛检测方法有内径测量法、漏磁检测法、光电检测法、超声检测法等[3]，但光电检测无法检测隐含裂纹，使用条件苛刻，导向机构容易对身管内壁造成二次损伤。超声表面波不仅能对工件表面或近表面缺陷进行有效检测，而且适合远距离高效检测[4]。因此，对于身管内膛多裂纹的损伤形式，表面波应用于身管内膛检测具有一定潜力。

表面水平剪切波(SH波)是基于表面波研究基础上的一个新分支，通常采用半空间模型展开研究。1911年，Love[5]发现各项同性层状结构中SH导波传播只集中在表面传播，沿厚度方向很快衰减，因此被称为表面SH波。由于其传播特性使得表面SH波不易于发生模态转换，在遇到界面不连续或边界处损失能量较小，更易于信号分析及缺陷检测。表面SH波的激励方式主要是通过周期性永磁体阵列(PPM)的电磁超声换能器(EMAT)进行激励[6]，通过对探头的线圈参数和永磁体尺寸的优化设计，可达到理想的检测效果。

表面SH波的研究主要集中在两个方向，表面SH波在具有初应力结构中的传播和磁电性介质的传播。魏智等[7]发现层状结构中存在初应力时会对表面SH波的传播存在影响，并通过仿真发现当初应力达到一定数值后会明显改变表面SH波的换能效率和传播距离。刘华等[8]、Liu等[9]研究了压电层状结构中表面SH波的传播规律，并分析了初应力存在对表面SH波传播的影响。Wang等[10-11]根据Eshelby的能量- 动量概念推导了磁电弹性介质的守恒积分，首次将表面SH波应用于磁电弹性介质中，并研究了磁电介质中存在任意夹杂的问题，得到表面SH波在各项同性磁电介质的一般解，扩大了表面SH波的应用范围。随后，Pan等[12]、Chen等[13]分析了各项异性功能梯度材料磁电介质和多层板中表面SH波的传播，并给出了三维精确解。近年，张朋威等[14]对求解层状半空间结构的方法进行改进，分析了带有梯度压电覆层情况下的表面SH波频散曲线。Li[15]通过表面SH波频散曲线对波动方程进行反演，发现表面SH波相比表面波具有更好的收敛性，信噪比更低。Ezzin等[16]研究了功能梯度压力薄膜中表面SH波的传播行为，得到了梯度系数与磁机电耦合系数的关系。

目前常见的SH波研究主要集中对平板结构和焊缝中尺寸较大缺陷进行检测[17]，而对厚壁管道内表面微裂纹检测研究较少。表面SH波因其平行于表面边界的极化性质，在边界处损失的能量更少，与传统斜入射超声检测相比，受厚壁管道内壁的附着物影响较小，且可以实现单点激励，长距离检测，检测效率较高。为此，本文在分析EMAT所激励的表面SH波辐射声场特性基础上，在多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics中对内壁含有交叉裂纹的大口径火炮身管药室进行参数化建模，探究表面SH波与不同夹角裂纹的作用规律，最后搭建实验系统，对已预制不同夹角裂纹的试件进行检测，分析仿真和实验结果，验证表面SH波身管内膛裂纹检测方法的可行性。

1 表面SH波武器身管药室检测方法及EMAT换能机理

1.1 身管药室检测方法

大口径火炮身管药室壁厚较厚，内膛较为光滑，网状分布的裂纹加大了检测和维护的难度。为此，本文针对药室内膛处多裂纹损伤提出基于表面SH波的检测方法，检测方案如图1所示。

图1 表面SH波检测方案Fig.1 Detection scheme of surface SH wave

EMAT激励端、接收端沿药室内膛轴向放置，所激励表面SH波将沿身管轴向方向在药室内膛传播，当传播路径中出现不连续界面导致的缺陷时，表面SH波与其发生反射作用，反射回波由EMAT接收端接收，以此获得传播路径内所含的缺陷信息。激励端与接收端通过连杆连接，沿药室内膛周向方向同步旋转一周即可获得身管药室内膛表面的损伤信息。

1.2 表面SH波EMAT换能机理

EMAT换能过程主要涉及提供偏置静磁场的磁铁、载有高频信号的线圈和在其内部激发和传播表面波的被测试件3部分。通过设计不同结构的磁铁及线圈的组合以激发不同类别的超声波，其中：常见磁铁结构有圆柱体、马蹄形、长方体等；常见线圈结构有螺旋线圈、曲折线圈、跑道线圈等。根据超声波产生机理的不同，EMAT可划分为基于洛伦兹力机理的EMAT和基于磁致伸缩机理的EMAT两种，本文主要采用基于洛伦兹力原理的EMAT，并选用周期性永磁铁阵列(PPM)及跑道线圈的组合，以激发表面SH波。

表面SH波是在弹性层内质点振动方向垂直于传播方向的表面波，激励原理如图2(a)所示。当高频电流通入跑道线圈时，将会在被测试样表面感生出方向相反、频率相同的感应电涡流，静磁场与涡流相互作用产生洛伦兹力，该洛伦兹力将与高频电流同频率的弹性波发射至试件表面，沿轴向传播，便实现了SH波的激励过程[18]，EMAT内部构造实物图如图2(b)所示。将质点受扰动带来的逾压称为声压，以描述声波过程，声压与质点振速具有一定关系。当厚壁管道厚度超过4倍的波长时，SH波在管道表面以表面SH波的形式传播，激励频率f[5]满足：

图2 表面SH波EMAT激励换能机理及内部构造实物图Fig.2 Mechanism of surface SH wave EMAT excitation and the physical map of internal structure

(1)

式中：v为波速；λ为波长；d为磁铁间距。

2 EMAT参数对辐射声场特性的影响

表面SH波EMAT的激励性能与设计参数有关，如图3所示。其中永磁体长度l、高度H和宽度，永磁体对数，永磁体剩磁，换能线圈导线高度b、宽度a、间距dc，提离距离h，永磁体与线圈间距均会影响EMAT换能效率，且永磁体尺寸对换能效率的影响最大[19-20]。

图3 EMAT主要设计参数Fig.3 Main design parameters of EMAT

2.1 表面SH波EMAT辐射声场特性分析

因表面SH波仅沿表面传播的特征，可将厚壁药室简化为薄管模型，以降低运算量。如图4(a)所示，建立内径177 mm、外径197 mm、长400 mm的管道模型，为便于计算取完整身管截面的1/9，并将其特定边界设置为低反射边界。模型选用的材料为PCrNiMoVA，杨氏模量为214 GPa，泊松比是0.271，密度为7 932 kg/m3. 通过在被测试样表面加载方向相反、大小相同的单位载荷，用于模拟在偏置磁场作用下，试样表面的感应电涡流所形成的洛伦兹力，加载方式如图4(a)所示。

图4 表面SH波传播有限元模型及其辐射声场Fig.4 Finite element model of surface SH wave propagation and its radiated sound field

由洛伦兹力所激发的超声波在金属材料中的传播过程[21]可表示为

(2)

式中：ρ为材料密度；u为位移矢量；σ为应力；T为应力张量。

根据(2)式可计算表面SH波在薄管中的位移分布，因表面SH波的能量与振幅的平方呈正比，故可以取位移振动信号来表征辐射声场，如图4(b)所示表面SH波声压随着距离的增加逐渐减小，当距离大于一定值时，声压发散，同时表面SH波沿着厚度方向，能量集中于表面5 mm内，因此可以对表面各个位置的微小裂纹进行有效检测。

表面SH波的激励频率可由(1)式推导出，3 mm永磁体宽度所对应的激励频率为0.54 MHz. 以薄管模型内表面振动总位移表示声场分布，如图4(b)所示，并标记L线上总位移最大值为焦点，选取声束主瓣与旁瓣交界处边界线和L线夹角为发散角，以反映声束的定向集中程度。

2.2 永磁体对数、长度对表面SH波辐射声场的影响

为探究永磁体对数变化对表面SH波辐射声场的影响情况，选取最佳声场下的永磁体设置参数，提取不同对数、长度的永磁体辐射声场仿真云图中发散角α、β及焦点位置数据如表1和表2所示。

表1 不同对数的永磁体声束特征数据Tab.1 Sound beam feature data of magnets with differentpair numbers

表2 不同长度的永磁体声束特征数据Tab.2 Sound beam feature data of magnets withdifferent lengths

由表1可知，发散角随着磁体对数增加而减小，故对数越多，声束指向性越好，利于检测，而磁体对数对于焦点位置影响较小且规律并不明显。

不同永磁体对数对L线沿线声压的影响，经归一化处理如图5所示。当距离向远处延伸时，不同永磁体对数沿L线上位移分布呈现出先增加、后减小的趋势。随着磁体对数增加，L线处位移分布整体增大，可见磁体对数对于能量幅值的影响较大。当永磁体对数由6对增加至16对时，位移幅值增加了约161.8%。理论上，永磁体对数越多，表面SH波能量集中性越好，检测效果越好，但当表面SH波永磁体对数过多，会使EMAT尺寸过大，检测盲区变大，不利于内壁多裂纹检测，因此，为了确保表面SH波的检测效果，永磁体对数取12对。

图5 沿管道轴向L线(如图4)不同磁体对数对应的声压Fig.5 Acoustic pressure along Line L (Fig.4) in the axial direction of the pipe with different pair numbers of magnet

由表2可知，发散角随着磁体长度增加而增大，故长度越大,声束指向性越差，不利于检测。焦点位置随着磁体长度的增加而逐渐后移，当磁体长度由10 mm增加至30 mm时，焦点位置后移约143.7 mm，可见永磁体长度对于焦点位置有较大影响。

不同永磁体长度对L线沿线声压的影响，如图6所示。当距离向远处延伸时，不同磁体长度的沿L线处位移分布呈现出先增加、后减小的趋势。当长度过长时，L线近EMAT处两组激励源未发生相干而导致位移分布出现断层。焦点位置随着磁体长度的增加而逐渐后移，但磁体长度对于声束轴线处位移分布影响较小。理论上，永磁体长度越长，表面SH波能量焦点位置越远，可检测范围越大，但当表面SH波永磁体长度过长，会使EMAT尺寸过大，难与身管内壁贴合，不利于内壁裂纹检测，因此，结合常用永磁体尺寸，永磁体长度取20 mm.

图6 沿管道轴向L线(见图4)不同磁体长度对应的声压Fig.6 Acoustic pressure along line L (Fig.4) in the axial direction of pipe with various magnet lengths

3 缺陷检测可行性分析

3.1 身管药室有限元模型

以某型火炮身管药室部分为例，在COMSOL Multiphysics有限元软件中建立内径和外径分别为177 mm、297 mm的管道，轴向长度取400 mm. 因模拟真实的裂纹比较困难，本文将其简化为交叉双裂纹进行研究。采用控制变量的方法，改变交叉双裂纹的夹角γ，观察表面SH波回波信号的变化规律。

载荷的加载函数ft(t)如(3)式所示，加载方式如图7所示。

图7 身管药室有限元模型Fig.7 Finite element model of barrel chamber

(3)

式中：k代表线圈的序号；ω为中心频率，ω=2πf；n表示正弦脉冲串个数。

3.2 交叉裂纹检测分析

在管道内壁预制6组不同夹角的交叉裂纹，周向宽10 mm，轴向长0.01 mm，径向深2 mm，将垂直于表面SH波传播方向的裂纹固定设置，另一条裂纹与之相交于中点，定义其锐角为交叉倾角，并将角度分别设置为0°、15°、30°、45°、60°、90°，不同夹角使缺陷回波发生变化，其中以幅值变化最为明显，因此选择回波幅值绝对值作为评价依据。

分别提取不同夹角裂纹缺陷回波信号的面内位移幅值，如图8所示。当裂纹夹角为0°时，面内位移幅值最大，这是由于此时裂纹反射面完全垂直于表面SH波传播方向，反射面面积最大。随着裂纹夹角增加，面内位移呈现先增加、后减小的趋势。当裂纹夹角大于60°时，面内位移大幅下降。

图8 不同交叉裂纹夹角缺陷回波幅值Fig.8 Echo amplitudes of defects with different cross crack angles

为探究交叉裂纹夹角与表面SH波的作用规律，对交叉裂纹夹角为90°时的声场进行分析，如图9所示。由图9可知，当表面SH波遇到宽度较小的裂纹尖端时，会被裂纹尖端割裂，成多个具有一定夹角的波束向前传播，大部分表面SH波发生透射穿过缺陷继续向前传播，其余表面SH波与缺陷界面形成反射回波。因此，当裂纹夹角逐渐增大时，反射面积虽然减小，但根据惠更斯原理，反射体可视为新的声源，因为反射波常是扩散的，而当反射面积越小扩散范围越小，EMAT所能接收到的回波也就越大。而当夹角大于60°时,割裂作用使反射回波减小，缺陷回波幅值逐渐降低。

图9 表面SH波与90°交叉裂纹作用云图(66.2 μs时刻)Fig.9 Propagation process of surface SH wave in pipe with 90° cross crack angle (66.2 μs)

综上所述，可以通过分析缺陷回波幅值判断交叉裂纹夹角变化：当交叉裂纹夹角在0°～60°之间时，随着交叉裂纹夹角增加，回波幅值逐渐增加，适宜进行夹角检测；当交叉裂纹夹角大于60°时，表面SH波被割裂，回波幅值大幅降低，不适宜检测。同时，以上分析为下一步采用反射系数法[22]、周向散射图谱[23]等方法对缺陷进行深入表征奠定基础。

4 实验验证

4.1 实验环境搭建

实验采用美国Agilent公司生产的Agilent 33220A型号信号发生器产生激励0.54 MHz的正弦脉冲串，经美国RITEC公司生产的RIEC GA-2500A型号功率放大器放大，通过阻抗匹配电路将激励电压加载至激励端EMAT，再由接收端EMAT将接收到的微弱振动转化为电流信号，通过后置阻抗匹配系统后，将回波信号输入到高(低)通滤波器和Olympus 5072PR放大器进行滤波和超低噪音的信号放大，由数据采集卡完成模数转换后，将数据送入数据采集显示处理终端，从而完成数据采集、波形显示和数据存储，实验系统原理如图10所示。

图10 电磁超声表面SH波检测实验系统Fig.10 Experimental system for electromagnetic acoustic surface SH wave detection

对于155 mm火炮身管药室部分来说，其内壁交叉裂纹难以加工，同时因曲率半径远大于表面SH波波长，可忽略波速和相位受曲率的影响，因此实验采用厚板进行检测。根据(2)式可知在波的传播过程中，仅受金属材料密度、泊松比和弹性模量影响，因高强度炮钢难以获取及加工，故选择声学参数与之相近的45号钢进行实验，被测试样长600 mm，宽350 mm，厚35 mm. 虽人为裂纹较实际裂纹更为规则，但声波遇不连续界面发生的作用相同，可类比实际裂纹带来的变化，因此对钢板正反面加工不同夹角尺寸的交叉裂纹，如图11所示，图11为夹角为45°的交叉裂纹实物图。裂纹尺寸设置与第3节仿真中相同。表面SH波换能器实物如图12所示。换能器与裂纹的相对位置如图13所示。

图11 被测试样实物图Fig.11 Photo of test sample

图12 表面SH波EMAT实物图Fig.12 Photo of surface SH wave EMAT

图13 裂纹与EMAT的相对位置及表面SH波在试样内的传播路径Fig.13 Relative position of crack and EMAT, and propagation path of surface SH wave in test sample

4.2 数据分析

实验激励信号为6周期的正弦脉冲串，通过对不同夹角裂纹进行实验，对得到的缺陷回波进行采集，夹角为90°的交叉裂纹缺陷回波信号如图14所示。由图14可知，回波信号中出现了4个波包，由于表面SH波在该试件中的传播速度约为3 260 m/s，按照飞行时间计算可知，从左到右的顺序依次是直达波、缺陷波、右上端角回波和右下端角回波。表面SH波实验信噪比达到19.38 dB，远高于标准值6 dB，因此表面SH波检测实验信号质量较好，实验结果可信。

图14 90°交叉裂纹夹角的实验回波波形Fig.14 Experimental echo waveform of 90° cross crack angles

对采集到的缺陷信号进行数据处理，提取不同缺陷波包包络线的最大幅值，并与仿真结果进行对比，如图8所示。由图8可知：当交叉裂纹夹角为0°时，回波幅值最大；随着裂纹夹角增加，回波幅值逐渐增加，但当裂纹夹角大于60°时，裂纹尖端会将表面SH波割裂，使回波幅值突然下降；实验变化趋势与仿真结果一致，验证了仿真结果的正确性。