瑞利波檢測(cè)鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷深度數(shù)值研究*

許　穎，李冰成，龔梟杰

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 深圳研究生院，城市與土木工程防災(zāi)減災(zāi)深圳市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518055)

?

瑞利波檢測(cè)鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷深度數(shù)值研究*

許穎，李冰成，龔梟杰

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 深圳研究生院，城市與土木工程防災(zāi)減災(zāi)深圳市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518055)

摘要:本文介紹了一種利用瑞利波在表面缺陷處的傳播時(shí)間規(guī)律檢測(cè)材料表面缺陷深度的方法，該法比較適合檢測(cè)材質(zhì)均勻的金屬材料表面缺陷深度. 在超高頻率的激勵(lì)作用下，介質(zhì)表面產(chǎn)生的瑞利波波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷深度，瑞利波會(huì)沿著表面缺陷兩個(gè)側(cè)面?zhèn)鞑サ缴媳砻? 本文分析了各應(yīng)力波的衍射和模式轉(zhuǎn)換，及其各自傳播路徑； 通過(guò)位移幾何關(guān)系計(jì)算不同應(yīng)力波的傳播時(shí)間，確定計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷深度的理論公式，通過(guò)有限元數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證理論分析的正確性； 研究了鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷的定位方法； 討論激勵(lì)頻率，激勵(lì)源和觀測(cè)點(diǎn)位置，實(shí)際構(gòu)件邊界對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響.

關(guān)鍵詞:無(wú)損檢測(cè)； 表面波； 瑞利波； 表面缺陷； 有限單元法

現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展迅速，飛行器，船舶，汽車(chē)，建筑等工業(yè)領(lǐng)域都發(fā)展到前所未有高度. 各種工業(yè)的發(fā)展都需要高質(zhì)量的材料進(jìn)行加工制造，材料細(xì)小的缺陷都有可能給產(chǎn)品質(zhì)量帶來(lái)嚴(yán)重后果, 甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)最終失效. 無(wú)損檢測(cè)是在不損傷材料或結(jié)構(gòu)的完整性前提下及時(shí)檢測(cè)出損傷，這樣就可以有效地避免損傷的發(fā)展擴(kuò)大，阻止結(jié)構(gòu)失效，這點(diǎn)對(duì)工業(yè)社會(huì)的發(fā)展具有十分重要的意義[1].

表面缺陷是材料最為常見(jiàn)的一種損傷形式. 鋼結(jié)構(gòu)在承受交變循環(huán)應(yīng)力作用時(shí)，鋼材表面的微小裂紋會(huì)發(fā)展擴(kuò)大，形成較深的疲勞裂紋[2]. 比較典型的就是鋼橋受到汽車(chē)等動(dòng)荷載作用，疲勞裂紋發(fā)展，最后導(dǎo)致橋梁倒塌. 例如2000年美國(guó)威斯康星州橋引橋的兩根鋼梁因疲勞裂紋而使截面抗彎強(qiáng)度降低，最終導(dǎo)致鋼梁全截面斷裂[3]. 瑞利波(R波)是一種沿著固體表面?zhèn)鞑サ膽?yīng)力波，一種由于材料應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生的波動(dòng)，具有波的一般性質(zhì)特征，比如頻率，振幅，傳播速度，應(yīng)力波的這些特征在無(wú)損檢測(cè)中可以用來(lái)識(shí)別損傷的存在. 很多學(xué)者都嘗試?yán)萌鹄▉?lái)檢測(cè)材料的表面缺陷深度，做出了許多豐富多彩的成果，諸如瑞利波被用來(lái)檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的表面開(kāi)口裂縫[4]，火車(chē)車(chē)軸的表面裂紋[5]，牙齒的表面缺陷[6]等.ZengC等人[7]采用二維有限差分法模擬了起伏地形下的瑞利波傳播.ChakrapaniSK等人[8]以ANSYS有限元軟件研究了了瑞利波在多層介質(zhì)中的遇到剝離層的傳播過(guò)程. 本文以ANSYS有限元軟件為平臺(tái)，研究了利用瑞利波在鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷處的傳播規(guī)律檢測(cè)表面缺陷深度的方法.

1瑞利波在表面缺陷側(cè)面?zhèn)鞑ミ^(guò)程的模擬

采用有限元數(shù)值模擬研究瑞利波波長(zhǎng)小于表面缺陷深度的傳播規(guī)律. 建立模型： 模型長(zhǎng)L=20mm，高H=8mm，表面缺陷深度h=3mm，寬度w=0.1μm. 模型的左右側(cè)面添加了清華大學(xué)劉晶波教授的人工粘彈性邊界[9]. 材料的物理參數(shù)選取鋼材，彈性模量為208GPa，密度為7 850Kg/m3，泊松比為0.3，阻尼比為0.008. 激勵(lì)源采用雷克子波，中心頻率為8MHz，作用點(diǎn)在上表面中點(diǎn)左邊5mm處. 鋼中瑞利波理論波速為2 961m/s，中心頻率8MHz對(duì)應(yīng)的瑞利波波長(zhǎng)約為0.375mm，遠(yuǎn)小于表面缺陷的深度.

數(shù)值模擬中各時(shí)刻的波場(chǎng)快照如圖1 所示. 為了清楚表示R波的傳播過(guò)程，各圖中僅標(biāo)記向右傳播的R波. 在8幅圖中，可以看到R波先沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑ィ龅奖砻嫒毕莺笱刂毕輧蓚€(gè)側(cè)面?zhèn)鞑?，最后又傳播到模型上表面，在傳播的過(guò)程中R波能量越來(lái)越弱. 由于R波是沿著表面缺陷左右側(cè)面?zhèn)鞑ミ^(guò)去的，其到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)的時(shí)刻會(huì)延遲.

圖1　表面缺陷處的應(yīng)力波傳播過(guò)程Fig.1　Propagation process of stress waves on the surface defect

需要強(qiáng)調(diào)的是：P波和S波會(huì)在缺陷底部發(fā)生衍射現(xiàn)象，如圖1(a)和圖1(c)所示；R波會(huì)在缺陷底部發(fā)生模式轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，如圖1(e)所示. 各種衍射體波和模式轉(zhuǎn)換體波被觀測(cè)點(diǎn)接收到后，波形曲線將會(huì)變得十分復(fù)雜.

2表面缺陷深度理論計(jì)算公式推導(dǎo)

在表面缺陷處，瑞利波的模式轉(zhuǎn)換和體波衍射發(fā)生在表面缺陷開(kāi)口頂點(diǎn)和底部頂點(diǎn). 由于各種應(yīng)力波的模式轉(zhuǎn)換和傳播路徑十分復(fù)雜，本文在圖2 中說(shuō)明各種波的產(chǎn)生機(jī)理和傳播路徑.

圖2　應(yīng)力波的衍射和模式轉(zhuǎn)換Fig.2　Diffraction and mode transformation of Stress waves

如圖2(a)所示，在激勵(lì)作用下，介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生P波，S波，R波，P波波場(chǎng)能量太弱，不予考慮，但P波及衍射體波成分是確實(shí)存在的.S波傳播略快于R波，當(dāng)S波傳播遇到表面缺陷后，在表面缺陷上頂點(diǎn)A處發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生瑞利波S-R1波，S-R1波沿著表面缺陷側(cè)面向下傳播，同時(shí)在上頂點(diǎn)A處衍射出體波，圖2中沒(méi)有畫(huà)出. 沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ腞波遇到表面缺陷后，一部分R波被缺陷側(cè)面反射，形成RR波，另一部分R波沿表面缺陷側(cè)面向缺陷底部傳播，為T(mén)R波.

如圖2(b)所示，體波傳播到表面缺陷底部頂點(diǎn)B點(diǎn)時(shí)，會(huì)在B點(diǎn)發(fā)生衍射，衍射的體波以B點(diǎn)為圓心，向四周輻射，斜射向介質(zhì)上表面.P波和S波在B點(diǎn)會(huì)衍射出P-P波，P-S波，S-P波，S-S波. 同圖2 一樣，P波波場(chǎng)能量太弱，我們不考慮，僅考慮體波中的S波成分.S波傳播到B點(diǎn)時(shí)，在B點(diǎn)不僅衍射產(chǎn)生體波，而且會(huì)在B點(diǎn)發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生瑞利波S-R2波，S-R2波沿著表面缺陷側(cè)面向上傳播到達(dá)介質(zhì)上表面. 圖2 中的TR波沿著表面缺陷左側(cè)表面?zhèn)鞑ズ?，遇到表面缺陷底部頂點(diǎn)B，在B點(diǎn)發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生體波R-P波和R-S波，還有部分能量繞過(guò)B點(diǎn)繼續(xù)以瑞利波TR形式沿著表面缺陷右側(cè)面向上傳播到介質(zhì)上表面.

圖3　表面缺陷檢測(cè)加載布置示意圖Fig.3　Load layout diagram of surface defect detection

假設(shè)檢測(cè)時(shí)的加載模型如圖3 所示，圖中激勵(lì)源和表面缺陷的間距為L(zhǎng)1，觀測(cè)點(diǎn)和表面缺陷間距為L(zhǎng)2，表面缺陷深度為h. 如果忽略激勵(lì)源加載的滯后時(shí)間，則可根據(jù)幾何關(guān)系推導(dǎo)各種應(yīng)力波的傳播時(shí)間：

P-P波到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)刻

(1)

P-S波到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)刻

(2)

S-P波到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)刻

(3)

S-S波到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)刻

(4)

R-P波到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)刻

(5)

R-S波到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)刻

(6)

S-R1波到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)刻

(7)

S-R2波到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)刻

(8)

TR波到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)刻

(9)

式中： vP, vS, vR分別為P波，S波和R波的波速; L1, L2分別為激勵(lì)源和觀測(cè)點(diǎn)距離表面缺陷的距離； h為表面缺陷深度.

上面計(jì)算分析了不同應(yīng)力波成分的傳播時(shí)間，還有一些應(yīng)力波成分由于其能量不是主導(dǎo)成分，沒(méi)有分析計(jì)算. 對(duì)式(9)變形如下

(10)

根據(jù)不等式關(guān)系及應(yīng)力波速關(guān)系，有

(11)

因此可得出結(jié)論： tTR是它們當(dāng)中最大值，也即TR波傳播時(shí)間最長(zhǎng)，為觀測(cè)點(diǎn)接收到波形中最后波包. 如果已知TR波到達(dá)時(shí)刻，則可根據(jù)式(9)計(jì)算出表面缺陷深度

(12)

考慮激勵(lì)源加載滯后時(shí)間Δt，對(duì)式(12)進(jìn)行修正，有

(13)

3不同深度表面缺陷數(shù)值模擬計(jì)算

在波形圖中得到TR波到達(dá)時(shí)刻后，可根據(jù)式(9) 計(jì)算出表面缺陷深度，各工況的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如表1所示，不同深度的計(jì)算結(jié)果誤差均很小，說(shuō)明前面理論推導(dǎo)是正確的，該方法可有效檢測(cè)出表面缺陷深度.

本節(jié)的計(jì)算選取的激勵(lì)源和觀測(cè)點(diǎn)間距為L(zhǎng)1=5mm，L2=2mm，由于本文的方法采用激光加載，激光接收，激勵(lì)源和觀測(cè)點(diǎn)的間距在實(shí)際檢測(cè)時(shí)可以保持很小. 其實(shí)加大激勵(lì)源和觀測(cè)點(diǎn)的間距后，數(shù)值計(jì)算精度也是很高的. 激勵(lì)源和觀測(cè)點(diǎn)的間距過(guò)大，會(huì)增加構(gòu)件底部邊界反射縱波的影響.

4表面缺陷定位討論

4.1倒數(shù)3個(gè)波包傳播路徑確定

觀測(cè)點(diǎn)接收到的波形圖中有許多波包，如圖4 所示，最后3個(gè)波包非常明顯，圖4中依次標(biāo)記波包1，波包2，波包3，代表3種不同的應(yīng)力波，下面就討論能否用這些波包確定表面缺陷的位置.

波包1是TR波波包，它是完全沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ?，傳播路徑如圖5 所示. 本文就是根據(jù)TR波傳播路徑計(jì)算出表面缺陷深度的.

圖4　觀測(cè)點(diǎn)接收到的波形圖(L1=5 mm，L2=2 mm，h=6 mm)Fig.4　The received waveform by Observation point(L1=5 mm，L2=2 mm，h=6 mm)

圖5　波包1傳播路徑Fig.5　Travel path of wave packet 1

波包2的傳播路徑與激勵(lì)源和觀測(cè)點(diǎn)的位置有關(guān). 它的傳播路徑可能有以下兩種情況，如圖6 所示，根據(jù)對(duì)稱(chēng)性分析，顯然這兩種路徑的傳播時(shí)間一樣.

圖6　波包2傳播路徑Fig.6　Possible travel path of wave packet 2

波包3同波包2一樣，其傳播路徑也可能有兩種情況，如圖7 所示，根據(jù)對(duì)稱(chēng)性分析，顯然這兩種路徑的傳播時(shí)間一樣.

圖7　波包3傳播路徑Fig.7　Possible travel path of wave packet 3

由于波包2的傳播時(shí)間明顯要大于波包3的傳播時(shí)間. 所以波包1，波包2，波包3傳播時(shí)間由大到小遞減. 為驗(yàn)證，將上述各波包的假設(shè)傳播路徑計(jì)算出來(lái)的傳播時(shí)間和有限元數(shù)值模擬計(jì)算出來(lái)的傳播時(shí)間對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果如表2 和表3 所示. 表中各工況的相對(duì)誤差均在接受范圍，證明理論假設(shè)是正確的.

表2　數(shù)值計(jì)算傳播時(shí)間與理論假設(shè)路徑傳播時(shí)間數(shù)據(jù)(波包2)

表3　數(shù)值計(jì)算傳播時(shí)間與理論假設(shè)路徑傳播時(shí)間數(shù)據(jù)(波包3)

注：1) 相對(duì)誤差=|數(shù)值解-加載滯后時(shí)間-假設(shè)解|/設(shè)解；

2) 根據(jù)對(duì)稱(chēng)性，僅計(jì)算L1=6mm，L2=1mm； L1=5mm，L2=2mm； L1=4mm， L2=3mm的情況.

4.2表面缺陷定位計(jì)算

本文利用激勵(lì)源和表面缺陷距離L1和觀測(cè)點(diǎn)和表面缺陷距離L2來(lái)確定缺陷定位. 由表2 和表3 計(jì)算結(jié)果分析，從整體上看，波包2的相對(duì)誤差較波包3要小些，故考慮利用觀測(cè)點(diǎn)波形最后兩個(gè)波包到達(dá)時(shí)刻定位表面缺陷. L1和L2的相對(duì)大小決定波包2和波包3各自的傳播路徑. 為此，要分以下兩種情況討論：

1) 當(dāng)L1>L2時(shí)

(14)

2) 當(dāng)L1

(15)

式中： t2為波包2到達(dá)時(shí)刻；Δt 為加載滯后時(shí)間.

上面兩組方程組是對(duì)稱(chēng)的，即存在兩組解，但是只有一組解是與實(shí)際表面缺陷位置相同的. 進(jìn)行表面缺陷定位時(shí)，先假設(shè)L1>L2，按式(14)計(jì)算，若計(jì)算結(jié)果不滿(mǎn)足L1>L2，則說(shuō)明L1

為驗(yàn)證這種表面缺陷定位方法的可行性，采用數(shù)值計(jì)算進(jìn)行證明，計(jì)算結(jié)果如表4 所示. 可以看出，不同工況的數(shù)值計(jì)算精度不同，有的精度高，有的低，其原因是確定不同波包到達(dá)時(shí)刻不準(zhǔn)確. 例如表面缺陷深度h=6mm，L1=5mm，L2=2mm，計(jì)算精度較高，該布置下觀測(cè)點(diǎn)波形如圖3 所示，圖3中波包1，波包2，波包分離得很清晰，各波包到達(dá)時(shí)刻易于確定. 例如表面缺陷深度h=1mm，L1=3mm，L2=4mm時(shí)，計(jì)算精度較低，該布置下觀測(cè)點(diǎn)波形如圖8所示，波包2，波包3波包已經(jīng)混疊了，但還是勉強(qiáng)可以根據(jù)波包最后峰谷點(diǎn)判定波包到達(dá)時(shí)刻，圖8中用箭頭標(biāo)記各波包到達(dá)時(shí)刻. 總的來(lái)說(shuō)，該方法對(duì)表面缺陷的定位精確與激勵(lì)源和加載點(diǎn)的布置有關(guān).

圖8　觀測(cè)點(diǎn)接收到的波形圖(L1=3 mm，L2=4 mm，h=1 mm)Fig.8　The received waveform by observation point(L1=3 mm，L2=4 mm，h=1 mm)

深度/mmL1/mmL2/mmL2計(jì)算值/mm相對(duì)誤差/%1166.172.761255.356.901344.4110.323166.010.273255.224.363344.194.724166.010.204255.234.644344.276.676165.0016.716255.193.826344.235.77

5與他人方法對(duì)比

圖9　孫宏祥，張淑儀方法示意圖Fig.9　Sun hongxiang, Zhang Shuyi method

孫宏祥，張淑儀[10]文章中提到的方法一般是利用瑞利波在表面缺陷處的模式轉(zhuǎn)換體波和反射瑞利波來(lái)確定表面缺陷深度和定位表面缺陷位置. 具體原理如圖9 所示，入射瑞利波IR傳播到表面缺陷后會(huì)產(chǎn)生反射RR波，RR波反向傳播回觀測(cè)點(diǎn)，根據(jù)IR波到達(dá)時(shí)刻和RR波到達(dá)時(shí)刻計(jì)算表面缺陷位置，根據(jù)傳遞瑞利波TR波在表面缺陷底部模式轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的R-S波和R-P波到達(dá)時(shí)刻計(jì)算深度. 由于R-P波能量很小，一般用R-S波到達(dá)時(shí)刻計(jì)算表面缺陷深度，具體的理論推導(dǎo)如下：

根據(jù)RR波反射到達(dá)觀測(cè)時(shí)刻，有

(16)

由此確定觀測(cè)點(diǎn)和表面缺陷的距離

(17)

根據(jù)R-S波到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)刻，有

(18)

根據(jù)式(16)和式(18)推導(dǎo)出表面缺陷深度計(jì)算公式為

(19)

式中：M=(tR-S-tIR)vRvS-vSL.

對(duì)孫宏祥，張淑儀的方法進(jìn)行數(shù)值模擬，將模擬結(jié)果與本文方法進(jìn)行對(duì)比. 為了保證數(shù)值結(jié)果的可比較性，有限元的參數(shù)設(shè)置同上規(guī)定，激勵(lì)源也為8MHz的雷克子波，依次計(jì)算了表面缺陷深度從1～7mm的工況.

通過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)該方法有如下兩個(gè)缺陷：

圖10　不同深度表面缺陷計(jì)算波形圖(孫宏祥，張淑儀方法)Fig.10　Calculation waveforms of different surface defect depth (Sun hongxiang, Zhang Shuyi method)

1) 不適合檢測(cè)較淺深度表面缺陷，如果h相對(duì)于L較小時(shí)，R-S波可能會(huì)先于RR波到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)，這會(huì)使確定各波到達(dá)時(shí)刻困難，影響檢測(cè)精度. 這點(diǎn)可以根據(jù)理論推導(dǎo)過(guò)程得到. 在表5 中，表面缺陷深度為1mm和2mm的相對(duì)誤差分別為60.84%和38.72%，說(shuō)明該方法不適合檢測(cè)深度較淺的表面缺陷深度.

2) 在觀測(cè)點(diǎn)接收到的波形中，R-P波和R-S波幅值相對(duì)于IR波和RR波幅值來(lái)說(shuō)十分微弱，難以清楚確定R-S波到達(dá)時(shí)刻. 這點(diǎn)在圖10中表現(xiàn)得很明顯，為了找出R-S波到達(dá)時(shí)刻，在圖10中，將反射RR波后的那段波形曲線截取放大用虛線表示出，才勉強(qiáng)尋找到R-S波的到達(dá)時(shí)刻.

將本章方法和該方法的相對(duì)誤差百分比統(tǒng)計(jì)如圖11所示. 對(duì)比本文方法和孫宏祥，張淑儀方法有以下結(jié)論：

1) 本文建議的方法對(duì)較淺表面缺陷和較深表面缺陷的檢測(cè)精度都很高，而該孫宏祥，張淑儀方法在較淺表面缺陷時(shí)誤差非常大；

2) 本文方法的相對(duì)誤差整體上比孫宏祥，張淑儀方法小，僅在表面缺陷深度為5mm時(shí)誤差略大于孫宏祥，張淑儀方法，這可能是由于確定R-S波到達(dá)時(shí)刻帶來(lái)的偶然情況；

3) 本文方法取得波形到達(dá)時(shí)刻簡(jiǎn)單明確，而孫宏祥，張淑儀方法確定波包到達(dá)時(shí)刻不明確，容易引起較大誤差.

圖11　兩種方法的相對(duì)誤差對(duì)比圖Fig.11　Relative error comparison chart of the two methods

深度/mm入射TR波/μs反射RR波/μsR-S波/μs計(jì)算深度/mm相對(duì)誤差/%12.4323.7724.2801.60860.8422.4323.7724.8802.77438.7232.4323.7725.0883.1565.21042.4323.7725.6164.1012.52052.4323.7726.1164.9750.49062.4323.7726.6325.8672.22072.4323.7727.1686.7853.08

6結(jié)論

本章采用超高頻激勵(lì)源加載，產(chǎn)生了波長(zhǎng)相對(duì)表面缺陷深度極小的瑞利波. 通過(guò)分析各種應(yīng)力波在金屬表面缺陷處的衍射和模式轉(zhuǎn)換以及各種應(yīng)力波的傳播時(shí)間，研究了利用瑞利波傳播時(shí)間規(guī)律檢測(cè)鋼結(jié)構(gòu)材料表面缺陷深度的方法. 與他人檢測(cè)方法的對(duì)比說(shuō)明，本文方法具有波形到達(dá)時(shí)刻易于確定，檢測(cè)精度高的優(yōu)點(diǎn). 對(duì)于深度在1mm和2mm時(shí)，其檢測(cè)精度依然很高.

參考文獻(xiàn)：

[1]耿榮生，景鵬. 蓬勃發(fā)展的我國(guó)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49 (22)： 1-7.

DiRongsheng,JingPeng.VigorousdevelopmentofChina’snon-destructivetestingtechniques[J].MechanicalEngineering, 2013, 49 (22)： 1-7. (inChinese)

[2]SuhCM,SuhMS,HwangNS.GrowthBehaviourofSmallSurfaceFatigueCracksinAISI304StainlessSteel[J].Fatigue&FractureofEngineeringMaterials&Structures, 2012, 35 (1)： 22-29.

[3]周暉，施剛，王元清，等. 鋼橋疲勞評(píng)估研究進(jìn)展[J]. 鋼結(jié)構(gòu)，2013，28 (4)： 1-5.

ZhouHui,Shigang,Wangyuanqing,etal.Advancesinsteelbridgefatigueassessment[J].Steelstructure, 2013, 28 (4)： 1-5. (inChinese)

[4]KeeSH,GucunskiN.UseofSurfaceWaveMeasurementstoCharacterizeSurface-BreakingCracksinConcreteBridgeDecks[J].TransportationResearchRecord：JournaloftheTransportationResearchBoard, 2014, 2407(1)： 3-11.

[5]MineoC,CernigliaD,PantanoA.NumericalStudyforaNewMethodologyofFlawsDetectioninTrainAxles[J].Ultrasonics, 2014, 54(3)： 841-849.

[6]SunK,YuanL,ShenZ,etal.ScanningLaser-lineSourceTechniqueforNondestructiveEvaluationofCracksinHumanTeeth[J].Appliedoptics, 2014, 53(11)： 2366-2374.

[7]ZengC,XiaJ,MillerRD,etal.AnImprovedVacuumFormulationfor2DFinite-differenceModelingofRayleighWavesincludingSurfaceTopographyandInternalDiscontinuities[J].Geophysics, 2012, 77(1)： 1-9.

[8]ChakrapaniSK,DayalV.TheInteractionofRayleighWaveswithDelaminationsinCompositeLaminates[J].TheJournaloftheAcousticalSocietyofAmerica, 2014, 135(5)： 2646-2653.

[9]劉晶波，谷音，杜義欣. 一致粘彈性人工邊界及粘彈性邊界單元[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28 (9)： 1070-1075.

LiuJingbo,GuYin,DuYixin.Consistentviscoelasticartificialboundariesandviscoelasticboundaryelement[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering, 2006, 28(9)： 1070-1075. (inChinese)

[10]孫宏祥，張淑儀. 激光激發(fā)瑞利波檢測(cè)表面傾斜缺陷的研究[J]. 聲學(xué)學(xué)報(bào)，2013，38 (4)： 408-409.

SunHongxiang,ZhangShuyi.ResearchofinclinedsurfacedefectdetectionusingRayleighwavebylaserexcitation[J].ActaAcustica, 2013, 38 (4)： 408-409. (inChinese)

NumericalAnalysisofDepthDetectionforSteelSurfaceDefectUsingRayleighWave

XUYing,LIBingcheng,GONGXiaojie

(ShenZhenKeyLabofUrban&CivilEngineeringDisasterPrevention&Reduction，HarbinInstituteofTechnologyShenzhenGraduateSchool，Shenzhen518055,China)

Abstract:This paper introduces adepth detection methodfor surface defectsbased on Rayleigh wave's temporal regularity. The method is suitable for detecting surface defect depth of metal material. With the ultra high frequency excitation, Rayleigh wavelength is much less than the depth of steel surface defect. Rayleigh wave will propagate along two sides of the surface defect and then back to the steel top surface. Stress wave diffraction and mode conversion, and their respective propagation path are analyzed. Different stress wave propagation time is calculatedand the theoretical formula for computing the surface defect depth by displacement geometric relationship is determined. The validity of theoretical analysis is verified through FEM calculation. Steel surface defect location method is studied andThe effect of Four factors to the test result are discussed which included excitation frequency, excitation source, the observation point location, and the boundary for actual component

Key words:non-destructive testing; surface wave; Rayleigh wave; surface defect; finite element method

文章編號(hào):1671-7449(2016)04-0322-09

收稿日期：2015-12-25

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278156)

作者簡(jiǎn)介：許穎(1977-)，女， 副教授，博士，主要從事新型建筑結(jié)構(gòu)及新材料結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等研究.

中圖分類(lèi)號(hào):TB330.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.04.007