基於數值反演的無損檢測模擬試塊缺陷參數的識別方法
2023-05-02 01:33:51
基於數值反演的無損檢測模擬試塊缺陷參數的識別方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於數值反演的無損檢測缺陷參數識別方法，通過超聲和射線等傳統無損檢測方法識別缺陷長度和位置參數，獲得實測的缺陷回波幅值；設定缺陷自身高度和偏轉角度的初始範圍，採用檢測超聲回波計算模型模擬不同自身高度和不同偏轉角度的缺陷回波幅值；以實測的缺陷回波幅值和模擬的缺陷回波幅值的差異為目標函數，採用反演算法在缺陷自身高度和偏轉角度的初始範圍內尋找最優的自身高度和偏轉角度值。本發明基於數值反演可獲得傳統無損檢測方法無法獲得的缺陷自身高度和偏轉角度參數，從而可為無損檢測模擬缺陷提供全面的尺寸和位置信息；同時，適用於檢測方式受限的複雜結構試塊。
【專利說明】基於數值反演的無損檢測模擬試塊缺陷參數的識別方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於無損檢測【技術領域】，尤其涉及一種無損檢測模擬試塊缺陷參數的識別方法。
【背景技術】
[0002]無損檢測技術是產品質量和工業結構服役安全的有效保證。合理的無損檢測工藝設計有耐於掌握檢測對象常見缺陷，並通過模擬製作含有這些缺陷的試塊，進行相關實驗研究和能力驗證。所以說無損檢測模擬試塊與檢測儀器、探頭共同構成無損檢測系統。然而，試塊製作，特別是試塊中模擬缺陷的加工相當困難，因為真實缺陷的參數如裂紋等的成型尺寸難以精確控制，所以在試塊製作完成後，試塊中添加的缺陷是否達到設計要求需要通過一定的方法來驗證。
[0003]破壞性檢驗方法是在做完所有無損實驗後，通過將試塊割開來獲得其缺陷參數，其缺點是試塊無法重複利用。無損檢測方法如射線、超聲等也常用於獲取試塊缺陷參數，但是射線檢測只能針對具有較好透照結構的試件，而且只能提供缺陷的水平位置和長度信息。對於較複雜構件或者無法進行射線驗證時，則採用超聲檢測，可以得到缺陷水平位置、深度和指示長度，但是難以獲得缺陷自身高度和取向信息。目前尚沒有出現更好的能識別和驗證試塊中缺陷參數的方法。
[0004]超聲檢測的仿真與模擬工作在國內外已經廣泛開展，而且針對較低粗糙度面積型缺陷(如焊縫的未熔合)的回波計算已經較為準確。而對於焊縫試塊中的裂紋缺陷，由於加工困難，通常採用具有類似聲學特性的未熔合缺陷代替，因此在獲得未熔合缺陷的位置、尺寸和取向等參數信息後，可以通過建立超聲檢測系統模型來準確計算其回波信號。
[0005]超聲檢測系統模型屬於正演模型，在已知檢測參數的情況下，可以計算檢測回波。通過超聲和射線檢測只能直接或間接地獲得缺陷位置、長度以及缺陷回波等信息。因此問題的關鍵是如何利用已知的檢測參數、缺陷參數及缺陷回波，並結合超聲檢測系統模型反演缺陷高度和取向。信號反演算法如遺傳算法、最優化理論等都已經較為成熟。
【發明內容】
[0006]針對現有技術存在的不足，本發明結合了傳統的實驗檢測方法、超聲檢測系統模型和信號反演算法，提出了一種無損檢測模擬試塊缺陷參數的識別方法，該方法可獲取模擬試塊缺陷的全部位置和尺寸信息。
[0007]為解決上述技術問題，本發明採用如下的技術方案:
[0008]基於數值反演的無損檢測模擬試塊缺陷參數的識別方法，包括步驟:
[0009]步驟1，採用無損檢測方法獲取模擬試塊缺陷的長度、水平位置和深度參數，採用超聲檢測法獲得模擬試塊缺陷的缺陷回波動態曲線，並獲得缺陷的回波幅值矩陣EA ；
[0010]步驟2，根據模擬試塊缺陷的設計方案和缺陷製作工藝確定缺陷自身高度的初始範圍，利用超聲相控陣確定模擬試塊缺陷偏轉角度的初始範圍；[0011]步驟3，採用檢測超聲回波計算模型模擬不同自身高度和不同偏轉角度的缺陷的回波動態曲線，並獲得一系列回波幅值矩陣SA，所述的不同自身高度和不同偏轉角度均屬於各自的初始範圍；
[0012]步驟4，根據步驟3獲得的模擬回波幅值和步驟I獲得的實測回波幅值的差異構建數值反演的目標函數，基於目標函數進行數值反演尋找全局最優解，從而獲得模擬試塊缺陷的自身高度值和偏轉角度值。
[0013]步驟I中所述的利用超聲檢測法獲得模擬試塊缺陷的缺陷回波動態曲線，具體為:
[0014]以缺陷最高回波對應的探頭位置點為原點0，以垂直於缺陷長度的方向為X軸，沿缺陷長度方向為y軸，將探頭沿X軸在X軸的探頭移動範圍內移動，所述的X軸的探頭移動範圍滿足條件:缺陷最高回波比探針在兩端的回波均高12dB ;探頭以預設步進在探頭移動範圍內移動，探頭所在位置為探頭位置點，記錄各探頭位置點的回波幅值，基於探頭位置點及其對應的回波幅值構建缺陷回波動態曲線。
[0015]步驟2中所述的利用超聲相控陣確定模擬試塊缺陷偏轉角度的初始範圍，具體為:
[0016]利用超聲相控陣獲得不同角度的超聲束作用於模擬試塊的缺陷面，找到最大缺陷回波對應的超聲束的角度值β，則模擬試塊缺陷偏轉角度的初始範圍β ± Λ β，偏差值Δ β自行選定。
[0017]步驟3中所述的檢測超聲回波計算模型基於數值方法構建，具體為:
[0018](1)選定數值模型的計算區域，所述的計算區域包括矩形，該矩形對角線為探頭位置點和缺陷中心的連線，矩形一邊與模擬試塊表面評星，另一邊與模擬試塊表面垂直；
[0019](2)給選定的計算區域施加邊界條件；
[0020](3)採用有限差分法獲得波動方程的差分形式；
[0021](4)取超聲傳播至2倍聲程時對應的時刻t，計算時刻t探頭位置點的垂直回波振動速度或回波應力分量，記為探頭位置點接收的回波信號。
[0022]所述的給選定的計算區域施加邊界條件，所施加的邊界條件為:
[0023]模擬試塊表面施加自由邊界，探頭與模擬試塊接觸部位施加探頭激勵函數,模擬試塊內部界面施加吸收邊界條件，缺陷表面施加自由邊界條件。
[0024]步驟3進一步包括子步驟:
[0025]3.1對缺陷的自身高度和偏轉角度的初始範圍進行等分，獲得一系列自身高度值和偏轉角度值，對一系列自身高度值和偏轉角度值排列組合獲得一系列包括自身高度值、偏轉角度值、長度、水平位置和深度的缺陷參數組，所述的長度、水平位置和深度參數為步驟I獲得的實測參數；
[0026]3.2採用檢測超聲回波計算模型分別模擬各缺陷參數組對應的缺陷回波幅值矩陣SA，模擬過程中，坐標系、探頭移動範圍及探頭移動步進均同步驟I。
[0027]步驟4中所述的數值反演採用遺傳算法實現。
[0028]步驟4中所述的目標函數
【權利要求】
1.基於數值反演的無損檢測模擬試塊缺陷參數的識別方法，其特徵在於，包括步驟: 步驟1，採用無損檢測方法獲取模擬試塊缺陷的長度、水平位置和深度參數，採用超聲檢測法獲得模擬試塊缺陷的缺陷回波動態曲線，並獲得缺陷的回波幅值矩陣EA ； 步驟2，根據模擬試塊缺陷的設計方案和缺陷製作工藝確定缺陷自身高度的初始範圍，利用超聲相控陣確定模擬試塊缺陷偏轉角度的初始範圍； 步驟3，採用檢測超聲回波計算模型模擬不同自身高度和不同偏轉角度的缺陷的回波動態曲線，並獲得一系列回波幅值矩陣SA，所述的不同自身高度和不同偏轉角度均屬於各自的初始範圍； 步驟4，根據步驟3獲得的模擬回波幅值和步驟I獲得的實測回波幅值的差異構建數值反演的目標函數，基於目標函數進行數值反演尋找全局最優解，從而獲得模擬試塊缺陷的自身高度值和偏轉角度值。
2.如權利要求1所述的基於數值反演的無損檢測模擬試塊缺陷參數的識別方法，其特徵在於: 所述的利用超聲 檢測法獲得模擬試塊缺陷的缺陷回波動態曲線，具體為: 以缺陷最高回波對應的探頭位置點為原點O，以垂直於缺陷長度的方向為X軸，沿缺陷長度方向為I軸，將探頭沿X軸在X軸的探頭移動範圍內移動，所述的X軸的探頭移動範圍滿足條件:缺陷最高回波比探針在兩端的回波均高12dB ;探頭以預設步進在探頭移動範圍內移動，探頭所在位置為探頭位置點，記錄各探頭位置點的回波幅值，基於探頭位置點及其對應的回波幅值構建缺陷回波動態曲線。
3.如權利要求1所述的基於數值反演的無損檢測模擬試塊缺陷參數的識別方法，其特徵在於: 步驟2中所述的利用超聲相控陣確定模擬試塊缺陷偏轉角度的初始範圍，具體為: 利用超聲相控陣獲得不同角度的超聲束作用於模擬試塊的缺陷面，找到最大缺陷回波對應的超聲束的角度值β，則模擬試塊缺陷偏轉角度的初始範圍β 土 Λ β，偏差值Λ β自行選定。
4.如權利要求1所述的基於數值反演的無損檢測模擬試塊缺陷參數的識別方法，其特徵在於: 所述的檢測超聲回波計算模型基於數值方法構建，具體為: (1)選定數值模型的計算區域，所述的計算區域包括矩形，該矩形對角線為探頭位置點和缺陷中心的連線，矩形一邊與模擬試塊表面評星，另一邊與模擬試塊表面垂直； (2)給選定的計算區域施加邊界條件； (3)採用有限差分法獲得波動方程的差分形式； (4)取超聲傳播至2倍聲程時對應的時刻t，計算時刻t探頭位置點的垂直回波振動速度或回波應力分量，記為探頭位置點接收的回波信號。
5.如權利要求4所述的基於數值反演的無損檢測模擬試塊缺陷參數的識別方法，其特徵在於: 所述的給選定的計算區域施加邊界條件，所施加的邊界條件為: 模擬試塊表面施加自由邊界，探頭與模擬試塊接觸部位施加探頭激勵函數，模擬試塊內部界面施加吸收邊界條件，缺陷表面施加自由邊界條件。
6.如權利要求1所述的基於數值反演的無損檢測模擬試塊缺陷參數的識別方法，其特徵在於: 步驟3進一步包括子步驟: 3.1對缺陷的自身高度和偏轉角度的初始範圍進行等分，獲得一系列自身高度值和偏轉角度值，對一系列自身高度值和偏轉角度值排列組合獲得一系列包括自身高度值、偏轉角度值、長度、水平位置和深度的缺陷參數組，所述的長度、水平位置和深度參數為步驟I獲得的實測參數； 3.2採用檢測超聲回波計算模型分別模擬各缺陷參數組對應的缺陷回波幅值矩陣SA，模擬過程中，坐標系、探頭移動範圍及探頭移動步進均同步驟I。
7.如權利要求1所述的基於數值反演的無損檢測模擬試塊缺陷參數的識別方法，其特徵在於: 步驟4中所述的數值反演採用遺傳算法實現。
8.如權利要求1所述的基於數值反演的無損檢測模擬試塊缺陷參數的識別方法，其特徵在於:
步驟4中所述的目標函數
【文檔編號】G01N29/04GK103604869SQ201310603258
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月25日 優先權日:2013年11月25日
【發明者】張俊, 李曉紅, 丁輝, 史亞琨 申請人:武漢大學