钢轨踏面斜裂纹低频表面波检测方法研究

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查看6082 | 回复6 | 2014-2-17 14:10:31 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 海天一色 于 2014-2-18 21:07 编辑

1引言
随着列车运行速度的提高及轴重的变化,轮轨相互作用下的滚动接触疲劳伤损类型及伤损发展特点也在发生变化。2002年12月广深线曲线半径为1 000 m的上股钢轨,先后有2处由踏面斜裂纹导致钢轨横向断裂,其斜裂纹和横向疲劳断裂的形貌特征与英国铁路大量出现的滚动接触疲劳(RCF)裂纹基本相似。踏面斜裂纹不同于以往的鱼鳞状剥离裂纹,发展严重时将导致钢轨的横向断裂而危及行车安全,这一现象已引起我国铁路工务部门的高度重视[1]。由于这种表面斜裂纹缺陷在工程中的大量存在, 因而, 对工程中表面斜裂纹问题的研究具有非常实际的意义[2]。
图1表示一段带有踏面斜裂纹的钢轨[3]。

由于钢轨踏面是一圆弧边的声波导,在钢轨表面传播的表面波实质为一类导波,具有多个接近的模式,在使用表面波检测钢轨踏面斜裂纹时,模式的选择就至关重要。使用有限元模拟带有不同类型裂纹模型,分析裂纹深度、裂纹角度与裂纹深度的关系,表面波在钢轨踏面斜裂纹处的传播具有低通效应,表面波高频截止频率与缺陷的深度变化如图2所示[4]。




在有限元模拟的基础上,通过实验来验证此模拟方法的可行性和有效性,首先使用事先准备的试块来验证,再在钢轨类型为60Kg/m的钢轨人工加工不同的踏面裂纹进行检测,将检测结果与试块上的检测结果及模拟结果进行比较。

2钢轨踏面裂纹频谱法检测有限元模拟

2.1模型的建立

用ABAQUS软件瞬态动力学模块进行模拟[5],模型长500mm,宽95mm,厚80mm,划分的网格为正方形结构体,边长为0.5mm。选择钢做模型材料,声波传播的纵波速度为Vp=5900m/s,横波速度为Vs=3100m/s ,表面波速度为VR=2996m/s,材料参数:杨氏模量E=200GPa, 密度ρ=7850kg/m3 ,泊松比 =0.32,时间步长为0.1666 。裂纹在模型的中间位置,宽度为0.5mm,信号发射位置在距离裂纹左端80mm处,接收信号在距离裂纹右端80mm处。模型局部结构如图3所示。



2.2激励信号的选取
为了模拟的方便,本文选取了0.3M的激发频率。取钢中表面波声速为2996m/s,则对应波长将近10mm,因此能将检测到深度约10mm的开口裂纹,相当与EV标准中的轨头踏面重伤裂纹。激励信号 的表达式如(1)式所示:
公式 (1)为信号脉冲时间10 ,A为幅度大小为1, 为高斯函数的形状调节参数,这里取2.5。

2.3边界条件的设定

为了保证波动模拟的可靠性与真实性,必须在人工截断边界上加上适当的人工边界条件。综合考虑现有的边界条件和对各种波型的吸收效果,本文选用了Sarmar于1988年提出的吸收边界和刘晶波[6]提出的等效二维一致粘弹性边界的组合。Sarmar吸收边界即使在边界向计算区域内若干层单元上添加瑞利阻尼,形成边界阻尼区。

2.4模拟结果

2.4.1直裂纹高频截止频率和深度的对应关系

模拟过程中选用中心频率为0.3MHz的表面波信号,频带宽度为0~0.6MHz,最大频率对应的波长将近5mm。模拟过程中取裂纹深度范围为2~16mm,观察不同深度的裂纹对透射波频率的影响。

对接收到的信号进行频谱分析,对频率吸收处进行放大可以得出截止频率随深度的变化规律。随着裂纹深度的增加,接收到信号的截止频率逐渐减小。表1所记录的就是不同深度裂纹对应的截止频率。结合表1和图4的关系曲线图可以得出,裂纹的深度和截止频率近似成一个反比例函数的关系。



2.4.2角度相同深度不同的斜裂纹模拟
为了更好的说明表面波在斜裂纹上的散射和波型转换特征,此处选取了不同时刻的波场快照。图5模型中的裂纹深度为6mm,倾斜角为30度,对应的扩展长度为12mm。激发信号垂直入射到固体中会产生纵波(P),横波(S),瑞利表面波(R)。




图5(a)中显示的是表面波传播到裂纹时刻的波场快照图,表面波的能量主要集中在1~2个波长范围内,在此处用的激发信号依然为0.3M的低频信号,对应的波长近似为10mm。在48 的时候,实现了表面波和横波的分离,掠面纵波传播的很快,已经被接收点接收。

图5(b)和图5(c)中显示的是表面波在倾斜裂纹上的散射阶段的两个不同时刻。表面波的能量聚集在12mm范围内,此处的模型深度只有6mm。从图中可以看出,表面波深层的能量先到达裂纹的尖端,直接沿裂纹的尖端衍射过裂纹沿表面继续传播,能量很大。另一部分表面波是沿裂纹左端的表面传播,然后沿着裂纹表面爬行,一直到绕射到裂纹的尖端直至裂纹的另一个表面。很显然,后者所经历的时间长于前一部分表面波,因而在接收点会出现两个不同时刻的表面波。

从图5(c)中还可以看出,沿裂纹表面爬行的表面波在裂纹尖端的散射情况比较复杂,近似于直裂纹尖端的散射,相当一部分的能量发生了波型转换,转化为横波,被吸收边界所吸收。相比之下,直接到达裂纹尖端这部分表面波基本没有发生散射。
图5(d)中显示的是接收点波场快照图,到达接收点的表面波中包含两个部分,一部分为沿裂纹尖端直接到达的表面波,另一部分是沿裂纹表面爬行被接收到的表面波。

为了研究截止频率随着斜裂纹深度的改变而变化的规律,本文选取了5~10mm深度倾角为30度的模型来进模拟分析。对接收到的信号进行频谱分析,表2列出了不同裂纹深度对应的截止频率;图6为对应的关系曲线图,可以看出,裂纹的深度和对应的截止频率近似成一个反比例函数的关系。



3钢轨踏面开口斜裂纹表面波频谱法测量的实验分析

3.1以试块为检测对象进行实验验证

图7所示为三号试块实物图,裂纹的倾角为25度,深度依次为3mm、5mm、7mm。对实验过程中所测得的表面波通过傅立叶变换的方法做频谱分析,表3列出了不同深度斜裂纹对应的截止频率。从表3中可以看出,在角度相同的表面开口斜裂纹中,裂纹对应的截止频率随深度的增大而减小,根据前文中模拟的结果可以知道,角度相同的斜裂纹,深度越大,对应的扩展长度也越长,因而截止频率也越低,与模拟中的结果相符合。图8为检测装置图。





3.2以60Kg/m钢轨踏面人工表面开口斜裂纹实验验证
对钢轨踏面人工模拟表面开口斜裂纹进行超声表面波频谱法进行检测,而此处是模拟实际钢轨裂纹沿轨头斜向下切的,是一种立体裂纹。选取长度分别为5mm、6mm、7mm的裂纹利用频谱法进行检测,结果如表4所示。




从表4可以看出,裂纹扩展长度和截止频率对应的关系并不是十分明显,原因是此处裂纹是一个面状裂纹,表面波在裂纹面上传播过程中,散射过程并不是有限元模拟中二维平面上所呈现的散射特性,因而导致结果的偏差。但是综合考虑透射波的幅度和截止频率的大小,基本上可以对得到的截止频率与裂纹长度的关系。如何实现不规则面状裂纹的准确定量,还有待于进一步的研究。

4结论

采用有限元模拟表面波在钢轨踏面裂纹的传播及波形转换,使用频谱分析对不同裂纹深度的进行模拟检测,通过人工试块和在钢轨踏面加工人工裂纹进行实验验证,得出以下结论:
(1)使用有限元模拟表面波在钢轨踏面斜裂纹上的散射及波形转换是可行的,能够为使用低频表面波检测钢轨踏面裂纹提供坚实的理论依据。
(2)通过模拟,对钢轨踏面斜裂纹的检测,激发频率至关重要,要选取适当的频率,兼顾检测灵敏度和检测深度的需要,在厚度一定时,频率过低,表面波模式比较单一,但埋深很浅的裂纹出现漏检,频率过高,模式选择比复杂,表面深出的裂纹很难检到。
(3)通过模拟和实验验证,钢轨踏面开口裂纹对表面波的传播具有低通效应,即裂纹的深度与表面波的高频截止频率成反比。
(4)通过模拟,表面波在传播过程中,沿裂纹包罗传播的表面波含有裂纹的深度信息,这些信息,是进行钢轨踏面开口斜裂纹深度反演的重要依据。
参考文献
(1)        邹定强,邢丽贤,高春平等.广深准高速铁路 PD3 钢轨轨头踏面剥离裂纹和核伤断裂原因的检验分析[J].无损检测,2003,32:12-16.
(2)        Dong-Man Suh.ULTRASONIC  IMAGE  RECONSTRUCTION  USING  MODE  CONVERTED RAYLEIGH WAVE[J].IEEE ULTRASONICS SYMPOSIUM,1998,869-872.
(3)        Chao LU ,Ping MEN,Lianxiu LI.An Experimental Study of EMAT Ultrasonic Surface Waves Modes in Railhead[J].2009  Xi′an ,China (ISEM′2009).
(4)        王敬时,徐晓东.利用激光超声技术研究表面微裂纹缺陷材料的低通滤波效应[J].物理学报,2008,12:7765-7768.
(5)        李卓球,雷婧.板结构中裂纹的超声波数值模拟[J].武汉理工大学学报,2006,28(10):53~54.
(6)        刘晶波,谷音等.一致粘弹性人工边界及粘弹性边界单元[J].岩土工程学报,2006,28(9):1070-1075.





作者简介:门平(1983-),男,在读硕士研究生,助理工程师,专业方向:测试计量技术及仪器,主要从事超声无损检测研究。
作者地址:江西省南昌市丰和南大道696号,南昌航空大学研究生院200806班,邮编:330063
         联系人:门平,电话:0791-3328169,15979163994
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独钓长江雪 | 2014-2-18 12:55:51 | 显示全部楼层
看看有没有作者的联系方式
阿诚 | 2014-2-18 16:12:54 | 显示全部楼层
呵呵,这是我师兄的文章哦。
nanchor | 2022-2-22 08:30:49 | 显示全部楼层
不错,可以看看
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