一種獲取超聲波頻散曲線的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種獲取波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中超聲波頻散曲線方法，本發(fā)明基于振動模態(tài)理論，采用振動模態(tài)分析法，通過有限元軟件模態(tài)分析，建立波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的模型，利用MPC(多點約束)耦合對模型進行了有效的邊界條件加載，后處理得到各個模態(tài)對應(yīng)的固有頻率與波數(shù)，再由相關(guān)公式計算出相速度，接著通過微調(diào)長度尺寸得到群速度的數(shù)值，并將得到的數(shù)據(jù)擬合得到相速度、群速度頻散曲線。本發(fā)明可以簡單、快捷、有效地得到超聲波在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中傳播的頻散曲線，為研究那些無法用數(shù)值方法獲得頻散曲線的結(jié)構(gòu)，提供一種簡單可行的方法。
【專利說明】一種獲取超聲波頻散曲線的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及超聲無損檢測領(lǐng)域，特別是涉及利用有限元固有模態(tài)分析、MPC耦合邊 界條件約束來獲取波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中超聲波傳播的頻散曲線。

【背景技術(shù)】
[0002] 當前計算頻散曲線的方法主要是利用數(shù)值方法進行求解，這對于簡單的波導(dǎo)結(jié)構(gòu) 有很好的適用性，例如板、桿、管等，但對于一些結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜和一些復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的計算 存在很大難度，并不能很快速簡單的利用數(shù)值方法求得其頻散曲線。目前也存在利用有限 元分析法獲得頻散曲線的方法，具有代表性的是吳斌、劉飛等人發(fā)明的《基于特征頻率法計 算超聲導(dǎo)波頻散關(guān)系的方法》，其方法是基于不同的位移邊界條件對應(yīng)不同的模態(tài)原理進 行特征頻率的求解，這樣對于存在多模態(tài)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)會使得邊界條件加載十分繁瑣；同時 在其方法中群速度直接由特征頻率差與波數(shù)差比值得到。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種簡單快速獲取超聲導(dǎo)波在任意 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中傳播的頻散曲線的方法。
[0004] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：選取波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的一部分單元進行有限元建模，控制 長度尺寸為截面尺寸的10?20倍。由于模型長度方向端面位移滿足公式U2 = e#Ul， 可以利用特殊邊界條件MPC耦合約束使得結(jié)構(gòu)長度與波長滿足整數(shù)倍關(guān)系，避免了不同模 態(tài)設(shè)置不同邊界條件的繁瑣程序。通過模態(tài)分析得到波的不同傳播模態(tài)和頻率。由公式 Cp = Af = ^計算相速度，通過微調(diào)長度尺寸L由公式Cg = ^ = LAg計算群速度。最后擬合得 到頻散曲線。
[0005] 本發(fā)明獲取頻散曲線的方法包括以下步驟：
[0006] 1.波導(dǎo)結(jié)構(gòu)部分建模，截面尺寸與實際尺寸保持一致，長度尺寸保持在截面尺寸 的10?20倍；
[0007] 2.材料參數(shù)設(shè)置并對模型長度端面設(shè)置邊界條件為MPC耦合。
[0008] 3.設(shè)置最大分析頻率fmax后，根據(jù)c = λ?·求得，選擇網(wǎng)格劃分尺寸為
[0009] 4.求解并統(tǒng)計不同模態(tài)對應(yīng)的頻率與波的個數(shù)。
[0010] 5.根據(jù)步驟4中的統(tǒng)計結(jié)果，由公式cp = 計算各種模態(tài)不同頻率對應(yīng)的相 速度；
[0011] 6.改變模型長度Lg = L± Λ L，其中Λ L控制在（0. 5%-2. 5% ) L范圍內(nèi)，再次進 行模態(tài)分析并統(tǒng)計數(shù)據(jù)；
[0012] 7.根據(jù)步驟6統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，由公式C0 = $ = 計算出各種模態(tài)不同頻率對應(yīng)的 群速度；
[0013] 8.根據(jù)步驟5和7的數(shù)據(jù)對頻散曲線進行平滑擬合。
[0014] 本發(fā)明與現(xiàn)有獲得超聲導(dǎo)波頻散曲線方法相比，具有以下優(yōu)點：
[0015] (1)由于只需取波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的一部分建模，本方法可以提取大尺寸結(jié)構(gòu)復(fù)雜波導(dǎo)結(jié) 構(gòu)中超聲波的頻散曲線
[0016] (2)由于有限元中參數(shù)設(shè)置比較容易改變材料屬性，所以本方法也可以提取復(fù)合 材料中的超聲波頻散曲線。
[0017] (3)本方法邊界條件設(shè)置簡單，計算精度高。
[0018] (4)本方法與數(shù)值計算方法相比簡單快速。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1為利用ABAQUS有限元軟件仿真求解超聲波頻散曲線的步驟框圖；
[0020] 圖2為模型的邊界條件設(shè)定示意圖；
[0021] 圖3為自由板中l(wèi)amb波傳播的AO模態(tài)；
[0022] 圖4為自由板中l(wèi)amb波傳播的SO模態(tài)；
[0023] 圖5為自由板中l(wèi)amb波傳播的Al模態(tài)；
[0024] 圖6為利用有限元固有模態(tài)法求解得到的相速度頻散曲線圖；
[0025] 圖7為利用有限元固有模態(tài)法求解得到的群速度頻散曲線圖；

【具體實施方式】
[0026] 結(jié)合本發(fā)明方法的內(nèi)容提供殼的計算實例，具體步驟如下：
[0027] 1.選取ABAQUS有限元分析軟件建立二維模型，設(shè)置長度為60mm，厚度為4mm，密度 為2700kg/m 3,楊氏模量為70GPa，泊松比為0. 33。
[0028] 2.如圖2所示，邊界條件設(shè)為兩端面各節(jié)點進行MPC耦合。
[0029] 3.設(shè)置分析步為線性攝動頻率，選擇合適分析頻率范圍為0_700kHz。
[0030] 4.確定網(wǎng)格劃分尺寸，最低相速度即橫波速度，由公式& = $'得cT = 3103. 2m/s ; 其中G為材料剪切模量；由公式、n = ^得λ min = 4. 3314mm，故取Ie = 0. 2mm進行網(wǎng)格 劃分。
[0031] 5.建立并提交作業(yè)，識別模態(tài)及統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。
[0032] 表 1
[0033]

【權(quán)利要求】
1. 一種獲取超聲波頻散曲線的方法，其特征在于：包括以下步驟： 步驟1 :波導(dǎo)結(jié)構(gòu)部分建模，截面尺寸與實際尺寸保持一致，長度尺寸保持在截面尺寸 的10?20倍； 步驟2 :材料參數(shù)設(shè)置并對模型長度端面設(shè)置邊界條件為MPC耦合。 步驟3:設(shè)置最大分析頻率fmax后，根據(jù)c=Af求得，選擇網(wǎng)格劃分尺寸為 ,1 又min 步驟4 :求解并統(tǒng)計不同模態(tài)對應(yīng)的頻率與波的個數(shù)。 步驟5 :根據(jù)步驟4中的統(tǒng)計結(jié)果，由公式化=A/= #/計算各種模態(tài)不同頻率對應(yīng)的 相速度； 步驟6 :改變模型長度Lg =L±ΛL，其中ΛL控制在（0. 5% -2. 5% )L范圍內(nèi)，再次進 行模態(tài)分析并統(tǒng)計數(shù)據(jù)； 步驟7 :根據(jù)步驟6統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，由公式C0 = & = 計算出各種模態(tài)不同頻率對應(yīng)的 群速度； 步驟8 :根據(jù)步驟5和7的數(shù)據(jù)對頻散曲線進行平滑擬合。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是指超聲檢測適用的所有被測 對象，特別是包括一些結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜和復(fù)合材料的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】G06F17/50GK104462667SQ201410674066
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月21日
【發(fā)明者】陳亮, 肖強, 梁巍, 洪敬賢, 王恩報, 鄒行江 申請人:電子科技大學(xué)