Page 41 - 《应用声学》2023年第6期

第 42 卷 第 6 期 刘登荣等： 核电堆内构件围板螺栓超声检测优化有限元仿真研究 1151

其中 θ 为超声波入射角，C L 为纵波波速，f 0 为正弦 图，图 6(b) 为接收端时域信号，可以明显地看到螺
波频率，T 0 为周期，x 1 为激振力作用左端点对应处 栓底面反射回波，底面回波前面的小波包是部分超
坐标值。 声波在图 6(a) 过渡区右侧标记部位处的反射回波。
这种做法相当于直接在螺栓顶部施加了经过 图 7 为不同激励频率下的底面回波的信号幅值，可
耦合剂产生的竖直方向的振动位移，使得所产生的 以看出螺栓底面回波幅值随着激励频率的增加大
超声波既具有斜入射的效果，又不会因为楔块产生 致出现先增后减的趋势，考虑到超声波频率高时其
大量回波减低了其能量，可以使得在模拟中超声波 发现小缺陷的能力更强 [12] ，但超声波衰减现象也更
传播得更远，能量更集中。 明显，因此最终选用激励频率为 5 MHz 的超声纵波
ഀڱ 进行数值模拟。
ᏹՌҎ ༏૝ҧͻၹࠕए4 mm
К࠱ᝈθ
ᛃಟᮇᦊ

(a) பК࠱ጫฉྭေവی

F z ↼t↽
图 5 探头宽度示意图
Fig. 5 Schematic of the probe’s width
Z
2.0
X
1.5
1.0
(b) பК࠱ጫฉ஝ߦവی 0.5 अ᭧ڀฉ
图 4 斜入射纵波模型 ηՂࣨϙ/µm 0
Fig. 4 Model of oblique incident longitudinal waves -0.5
-1.0
2 超声探头参数优化 -1.5
-2.0
0 5 10 15 20 25
为进一步提高超声检测方法对于围板螺栓内 ௑ᫎ/µs
部缺陷的检测能力，首先是要对超声探头激励频率、 (a) 6 ms௑҉ᛃಟܦڤڏ (b) ଌஆቫ௑۫ηՂ
探头宽度尺寸进行仿真优化。然后针对堆内构件围 图 6 激励频率为 5 MHz 下的声场图及时域信号
板螺栓典型缺陷失效形式，通过有限元数值仿真对 Fig. 6 Sound field diagram and time-in-domain
超声波入射角度进行优化，开展适用于围板螺栓不 signal at an excitation frequency of 5 MHz
同区域 (螺栓过渡区域、螺杆区域和螺纹区域) 的超
1.0
声检测方法，实现对不同区域 15% 缺陷横截面积占
比的检测目标。 0.8
2.1 激励频率优化 0.6

此次模拟中探头宽度设置为 4 mm，即模拟 ॆʷӑࣨϙ
中的激振力作用宽度 (宽度选择原因在后文提出)， 0.4
图 5 为探头宽度示意图。采用两个探头的一发一收 0.2
(T/R) 模式，即螺栓顶部左端为激励端，右端为接
0
收端。选择探头入射角为4°以便于接收螺栓底面回 2 4 6 8 10
波，通过改变激励频率模拟超声波，然后根据螺栓底 ༏ҵᮠဋ/MHz
面回波信号选择较好的激励频率。导出激励频率为 图 7 不同激励频率下的螺栓底面回波幅值
5 MHz时的接收端信号，并且进行带通滤波处理，滤 Fig. 7 The amplitude of the bolt’s bottom surface
波范围为 3∼10 MHz。图6(a)为6 µs时刻下的声场 echo at different excitation frequencies