有限元方法在超聲檢測中的應用

摘要：金屬結構的產品在我們目前的生活中應用非常廣泛，但是金屬構件在使用過程中會出現各種各樣的缺陷影響使用并且產生事故，本文利用有限元的方法對構件進行仿真檢測，仿真得到的數據應用于實際檢測中。

關鍵詞：超聲檢測;有限元;ANSYS

在我們國民生產的各個領域，比如說制造業、交通運輸、國防軍工、航空航天等，金屬結構的產品都有著廣泛的應用，其中我們最常見的對我們生活產生影響比較大的產品非常多，例如說高鐵火車運行時使用的軌道的滑輪，工業生產中各種設備所使用的滑輪、連接處的螺絲、機器設備的支撐工具等等以及各種軍事工業單位生產的槍炮彈的子彈、彈殼等。為了保證這些產品的使用性能更優，不管是工業生產上使用的這些金屬基本上都是經過高溫磨煉打造的，同時后期也會通過機械加工。但是因為在經過高溫磨煉打造的過程中常通常會帶有溫度的瞬間變化，從而造成使用的成品中間產生裂紋或者裂縫，為了保證這些成品工件在使用過程中的安全和有效，我們就要求對這些工業成品在其使用前對其進行裂紋或者裂縫的檢測，以便及時采取補救措施，減少經濟損失和潛在危險。

1超聲檢測的現狀

當今社會，國內的大多數生產廠家針對這類金屬成品的缺陷檢測，主要采用超聲方法，通過手動或自動的方式粗略檢測產品內部缺陷，但是由于金屬工件內部的缺陷各種各樣，在實際的檢測的時候，不單單要檢測出含有缺陷否，還要對缺陷進行分析重構，所以這就需要缺陷大量的數據以及模型，但在實際實驗中，為了節省時間以及成本，不可能做出各種各樣的缺陷供我們檢測分析以及重構，所以我們采用有限元的方法來對各種各樣的缺陷進行仿真數據的采集，采集的數據可以用于后期缺陷的重構。

2有限元方法的簡介

當今社會，在用supersonic（即超聲波）對金屬成品中間的裂縫和裂紋進行檢測的時候，最常用的模擬方法主要基本就包含了以下三種方法：[1]FEM（有限元法）、FDM（有限差分法）、BEM（邊界元法）。這三種方法，都可以稱之為是數值仿真方法。這中間，使用FEM方法的廠家以及研究機構是最多的。FEM是一種模擬仿真的分析計算方法，它的理論依據主要是將要求解的完整的連續的單元經過數學處理的方法處理成一個個分散的單元的組合體，然后用特定的函數來對每一個離散以后的單元體來進行所需要的求解，這樣我們就將一個連續的單元體分割成離散的有限問題，從而達到模擬仿真計算的結果。有限元的方法就是把連續的單元離散成有限個小單元，從而對每一個小單元利用單元場函數來求解，最終將所有小單元求解的結果集合就代表整個連續體的場函數。有限元法求解其實就是分割求解，這樣就對我們的計算機性能要求比較高，所以有限元是隨著計算機的發展而發展的，他反過來又應用于計算機的輔助制造中，又促進了計算機的發展。

當下，不管是國內還是國外，商用的有限元軟件都非常多，比如說ANSYS、NASTRAN、ABAQUS、FZPLEX等。這些軟件各有各的優缺點，對于仿真超聲波檢測金屬成品的缺陷效果也各有不同，經過多次實驗仿真的對比，本次仿真采用ANSYS軟件來進行模擬仿真計算。

3利用ANSYS進行仿真檢測

有限元軟件ANSYS主要包括三個部分：前處理過程，分析計算模塊和后處理過程。前處理過程主要是方便構造有限元模型，在這個過程中，主要包含有限元模型材料的選取以及材料所對應的參數的設定、模型建立、網絡劃分等;分析計算模塊包括結構分析、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，而我們所用的超聲波屬于機械波，[1]是物體機械振動狀態（或能量）的傳播形式。在彈性介質中通常以縱波的方式傳播，所以我們在利用ANSYS中進行分析計算時，選擇的是動力學模塊來進行仿真計算，這樣，就可以很好地模擬仿真超聲波在介質內的傳播，仿真分析所選用的模塊確定了以后，在這一過程中我們還要進行加載激勵信號、邊界條件加載、求解設置等過程，這一步是我們仿真計算的關鍵部分，參數設置的合適與否直接決定了我們仿真計算的成敗;最后一步是后處理過程，這一過程可將我們第二步計算出來的結果以彩色等值線顯示、梯度顯示等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。

利用有限元軟件ANSYS進行超聲波對金屬成品進行裂紋或者裂痕檢測時，在前處理過程中，關鍵任務就是建立物體缺陷檢測的仿真模型，[1]這其中就包括了對所要進行檢測的物體的具體尺寸大小、材料屬性的設置;模型建立起來以后，再利用布爾代數的方法來人為的設置所建立模型的缺陷;然后根據要施加的激勵信號的頻率根據公式計算出符合仿真要求的網格大小并對所建模型進行網格劃分。第二步分析計算模塊主要就是根據實際情況設置相應的邊界條件后選擇合適的求解器對其進行求解。后處理過程就是用來分析處理求解結果信息和以各種方式提取計算結果數據信息，保存缺陷回波信號的完整數據。

4結論

利用超聲波進行缺陷檢測，是當今社會比較一種新興的無損檢測技術，他具有快速、方便、準確等優點，因而受到廣泛關注與應用。本文所說的根據有限元軟件ANSYS進行模擬仿真計算得到缺陷回波信號，同時對所采集到的缺陷回波信號進行分析，可以分析得出缺陷與回波特征之間的規律，最終為缺陷重構和識別奠定基礎。

參考文獻：

[1]高捷.基于有限元的圓柱體聲場仿真及缺陷回波特征分析[D].山西：中北大學，2016.

[2]朱曉恒，高曉蓉，王黎.超聲探傷技術在無損檢測中的應用[J].現代電子技術，2010，21：112-116.