有限元方法在超声检测中的应用

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　　摘要：金属结构的产品在我们目前的生活中应用非常广泛，但是金属构件在使用过程中会出现各种各样的缺陷影响使用并且产生事故，本文利用有限元的方法对构件进行仿真检测，仿真得到的数据应用于实际检测中。
　　关键词：超声检测;有限元;ANSYS
　　在我们国民生产的各个领域，比如说制造业、交通运输、国防军工、航空航天等，金属结构的产品都有着广泛的应用，其中我们最常见的对我们生活产生影响比较大的产品非常多，例如说高铁火车运行时使用的轨道的滑轮，工业生产中各种设备所使用的滑轮、连接处的螺丝、机器设备的支撑工具等等以及各種军事工业单位生产的枪炮弹的子弹、弹壳等。为了保证这些产品的使用性能更优，不管是工业生产上使用的这些金属基本上都是经过高温磨炼打造的，同时后期也会通过机械加工。但是因为在经过高温磨炼打造的过程中常通常会带有温度的瞬间变化，从而造成使用的成品中间产生裂纹或者裂缝，为了保证这些成品工件在使用过程中的安全和有效，我们就要求对这些工业成品在其使用前对其进行裂纹或者裂缝的检测，以便及时采取补救措施，减少经济损失和潜在危险。
　　1超声检测的现状
　　当今社会，国内的大多数生产厂家针对这类金属成品的缺陷检测，主要采用超声方法，通过手动或自动的方式粗略检测产品内部缺陷，但是由于金属工件内部的缺陷各种各样，在实际的检测的时候，不单单要检测出含有缺陷否，还要对缺陷进行分析重构，所以这就需要缺陷大量的数据以及模型，但在实际实验中，为了节省时间以及成本，不可能做出各种各样的缺陷供我们检测分析以及重构，所以我们采用有限元的方法来对各种各样的缺陷进行仿真数据的采集，采集的数据可以用于后期缺陷的重构。
　　2有限元方法的简介
　　当今社会，在用supersonic（即超声波）对金属成品中间的裂缝和裂纹进行检测的时候，最常用的模拟方法主要基本就包含了以下三种方法：[1]FEM（有限元法）、FDM（有限差分法）、BEM（边界元法）。这三种方法，都可以称之为是数值仿真方法。这中间，使用FEM方法的厂家以及研究机构是最多的。FEM是一种模拟仿真的分析计算方法，它的理论依据主要是将要求解的完整的连续的单元经过数学处理的方法处理成一个个分散的单元的组合体，然后用特定的函数来对每一个离散以后的单元体来进行所需要的求解，这样我们就将一个连续的单元体分割成离散的有限问题，从而达到模拟仿真计算的结果。有限元的方法就是把连续的单元离散成有限个小单元，从而对每一个小单元利用单元场函数来求解，最终将所有小单元求解的结果集合就代表整个连续体的场函数。有限元法求解其实就是分割求解，这样就对我们的计算机性能要求比较高，所以有限元是随着计算机的发展而发展的，他反过来又应用于计算机的辅助制造中，又促进了计算机的发展。
　　当下，不管是国内还是国外，商用的有限元软件都非常多，比如说ANSYS、NASTRAN、ABAQUS、FZPLEX等。这些软件各有各的优缺点，对于仿真超声波检测金属成品的缺陷效果也各有不同，经过多次实验仿真的对比，本次仿真采用ANSYS软件来进行模拟仿真计算。
　　3利用ANSYS进行仿真检测
　　有限元软件ANSYS主要包括三个部分：前处理过程，分析计算模块和后处理过程。前处理过程主要是方便构造有限元模型，在这个过程中，主要包含有限元模型材料的选取以及材料所对应的参数的设定、模型建立、网络划分等;分析计算模块包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，而我们所用的超声波属于机械波，[1]是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。在弹性介质中通常以纵波的方式传播，所以我们在利用ANSYS中进行分析计算时，选择的是动力学模块来进行仿真计算，这样，就可以很好地模拟仿真超声波在介质内的传播，仿真分析所选用的模块确定了以后，在这一过程中我们还要进行加载激励信号、边界条件加载、求解设置等过程，这一步是我们仿真计算的关键部分，参数设置的合适与否直接决定了我们仿真计算的成败;最后一步是后处理过程，这一过程可将我们第二步计算出来的结果以彩色等值线显示、梯度显示等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
　　利用有限元软件ANSYS进行超声波对金属成品进行裂纹或者裂痕检测时，在前处理过程中，关键任务就是建立物体缺陷检测的仿真模型，[1]这其中就包括了对所要进行检测的物体的具体尺寸大小、材料属性的设置;模型建立起来以后，再利用布尔代数的方法来人为的设置所建立模型的缺陷;然后根据要施加的激励信号的频率根据公式计算出符合仿真要求的网格大小并对所建模型进行网格划分。第二步分析计算模块主要就是根据实际情况设置相应的边界条件后选择合适的求解器对其进行求解。后处理过程就是用来分析处理求解结果信息和以各种方式提取计算结果数据信息，保存缺陷回波信号的完整数据。
　　4结论
　　利用超声波进行缺陷检测，是当今社会比较一种新兴的无损检测技术，他具有快速、方便、准确等优点，因而受到广泛关注与应用。本文所说的根据有限元软件ANSYS进行模拟仿真计算得到缺陷回波信号，同时对所采集到的缺陷回波信号进行分析，可以分析得出缺陷与回波特征之间的规律，最终为缺陷重构和识别奠定基础。
　　参考文献：
　　[1]高捷.基于有限元的圆柱体声场仿真及缺陷回波特征分析[D].山西：中北大学，2016.
　　[2]朱晓恒，高晓蓉，王黎.超声探伤技术在无损检测中的应用[J].现代电子技术，2010，21：112-116.
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