بخشی از مقاله
چکیده
ایجاد عیوب در قطعات و مخفی ماندن آنها به مرور آثار مخربی بر عملکرد تجهیزات و ماشین آلات صنعتی خواهد داشت و باعث از کار افتادگی آنها میشود. آزمونهای فراصوتی یکی از روشهای غیرمخرب در پایش سلامت و تشخیص عیوب میباشد که به منظور جلوگیری از وقوع حوادث احتمالی، بهصورت وسیع در صنایع مختلف مورد استفاده قرار میگیرد. هدف این مقاله طراحی آزمون فراصوت به روش پالس -اِکو و با به کارگیری موج ورقی میباشد که آن بهکمک نرمافزار تحلیل اجزای محدود ABAQUS شبیهسازی میشود. بدین منظور ابتدا با مدلسازی ورقی همسانگرد از جنس آلومینیوم و با هندسهی معین، در دو حالت سالم و معیوب، نمونههای آزمون را ایجاد میکنیم. سپس مسئلهی انتشار موج بهشکل عددی و با لحاظ محاسبات درست در تنظیم اندازهی گام زمانی و نیز اندازهی اجزاء بهکمک نرمافزار برای هر نمونه حل میشود .
آنگاه با پردازش دادههای عددی حاصل و مقایسهی آنها، به استخراج ویژگیهایی برای تشخیص عیب در نمونهی معیوب میپردازیم. عیب مفروض در ورق معیوب را ترک خطی عمقی در وسط آن در نظر میگیریم. همچنین پاسخهای دریافتی از نرمافزار ABAQUS ، به منظور مدلسازی اثرات نوفه و پردازش اطلاعات، به نرمافزار MATLAB وارد میشوند. آنگاه جهت حذف نوفه از تبدیل موجک گسسته و جهت پردازش اطلاعات از تبدیل موجک پیوسته استفاده خواهد شد. نتایج نشان میدهند که شبیهسازی نرم افزاری انجام شده به خوبی نحوهی انتشار موج و پژواکهای آن که پس از برخورد با لبهها و نیز عیب مفروض در ورق حادث میشود را پیشبینی میکند. به علاوه از این نتایج در تفسیر هر چه بهتر دادههای ثبتشده از دریافتکنندههای پاسخ موج استفاده میشود. همچنین تبدیل موجک به خوبی قادر به حذف نوفه و صاف کردن دادههای آلودهشده به نوفهی اندازهگیری میباشد.
کلمات کلیدی: آزمون فراصوت؛ روش اجزای محدود؛ موج ورقی؛ تحلیل موجک.
1.مقدمه
کارکرد هر قطعهای در ماشینآلات و تجهیزات صنعتی ممکن است بر اثر وجود عیوب مختلف تحت تاثیر قرار گیرد و مخفی ماندن این عیوب در طی زمان میتواند سبب پیشامد حوادثی زیانبار شود. انجام آزمونهای صنعتی جهت تشخیص سلامتی قطعات وتجهیزات و تخمین عمر باقی مانده ی آنها امری الزامی و مورد توجه متخصصین فنی میباشد. آزمونهای صنعتی تشخیص عیوب و پایش سلامت به طور کلی به دو دستهی مخرب - DT - و غیرمخرب - NDT - تقسیم میشود. روشهای غیرمخرب به دلیل سرعت بالا، صرفه جویی در هزینه و زمان و نیز با توجه به محدود نبودن اطلاعات به نمونهها و شرایط آنها بیشتر مورد استفاده قرار میگیرد.
آزمونهای غیرمخرب شامل روشهایی میشود که ضمن تشخیص خصوصیات فیزیکی و یا شیمیایی مواد، تغییرات ساختاری داخل قطعات و تجهیزات را بدون نمونهبردای و تخریب، شناسایی و ارزیابی میکند. این روشها معمولا در بیشتر شرایط محیطی کاربردی هستند و محدودیتی در عملکرد آنها ایجاد نمیشود. آزمونهای غیرمخرب در بسیاری از کاربردهای صنعتی نقش مهمی را در شناسایی و آشکارسازی انواع عیوب بیرونی و درونی مواد ایفا میکند .[2] [1]از جمله آزمونهای پر کاربرد و مقرون به صرفه میتوان به آزمونهای فراصوت اشاره کرد. از آن جایی که امواج فراصوتی تقریبا توانایی انتشار در کلیه محیطها و حالتهای ماده را دارد، در بیشتر صنایع و حتی در زمینههای پزشکی به طور وسیع مورد استفاده قرار میگیرد .[3]
طی سالیان گذشته مطالعات بسیاری به صورت نظری و عملی در زمینهی شناسایی و بازرسی مواد مختلف برای مکانیابی و تشخیص هندسهی عیب با استفاده از آزمون فراصوت انجام گرفته است. مسئلهی حائز اهمیتی که باید در آزمونهای عملی مورد توجه قرار گیرد، مدلسازی و شبیهسازی آزمون قبل از اجرای عملی آن میباشد تا در تفسیر هر چه بهتر نتایج به متخصصین فن کمک نماید. انجام این شبیهسازیها به ویژه در پژوهشهای اخیر و با به کارگیری نرمافزارهای کامپیوتری برای حلهای عددی زمانبر بیشتر مورد توجه واقع شده است. در اختیار داشتن یک مدل مناسب علاوه بر افزایش سرعت تحلیل دادهها و انجام شناسایی در طراحی بهینهی آزمون عملی، مانند انتخاب محل قرارگیری پروب، نوع تابع تحریک و... یاری دهنده است .[4]
در بسیاری از مطالعات، روشهای اجزای محدود - FEM - و اجزای مرزی - BEM - برای شبیهسازی آزمون فراصوتی دو بعدی استفاده شده است. دریابر و همکاران با بکاربردن روش اجزای محدود، آزمون فراصوت با پروب موج عمودی را برای بازرسی اتصالات شبیهسازی کردهاند .[5] چابکی و همکاران برای بازرسی و عیبیابی لایههای محافظ خوردگی، آنها را به صورت ورقهای چندلایه، جداگانه در شرایط سالم و معیوب شبیهسازی کردند، و با مقایسهی پاسخهای بهدست آمده از این روش، به تفسیر نتایج پرداختند .[6] شبیهسازی روش زمان پرواز پراش 1 - TOFD - برای بازرسی و شناسایی عیوب در مواد با ضخامت بیش از 15 میلیمتر با استفاده از روش اجزای محدود و نیز مدلسازی ریاضی صورت گرفته است.
هنرور و خراسانی صفحات دو بعدی با انواع مختلف عیب در صفحه را به کمک روش اجزای محدود شبیهسازی کردند و با استفاده از نتایج تصویری پاسخ مسئله درک روشنتری از انتشار موج در مواد را ارائه نمودند .[7] ریاحی و ابوالحسنی علاوه بر بیان نقاط مثبت و منفی روش زمان پرواز پراش فراصوتی، برای شبیهسازی این روش مدلی ریاضی را ارائه و با استفاده از برنامه نویسی رایانهای آن را پیادهسازی نمودند .[8] شن و همکاران به منظور شبیهسازی آزمون فراصوت پالس-اِکو در لولههای سالم و معیوب، با استفاده از نرمافزار اجزای محدود ANSYS امواج هدایتشده را به شکل امواج طولی، در فضای سه بعدی شبیهسازی کرده و به مقایسهی بین نتایج به دست آمده از دو حالت مفروض پرداختند .[9]
در ادامهی آن، هو و ژو از مودهای مختلف موج هدایت شده برای عیبیابی محیطی خطوط لوله استفاده کردند و هندسهی این عیوب را با استفاده از شدت دامنهی سیگنالهای بازگشتی تعیین نمودند. بر اساس شبیهسازی نرمافزاری سه بعدی آنها دریافتند که موج هدایت شدهی تک مودی در اثر برخورد با عیوب مفروض، مودهای جدید و مختلفی تولید میکند که برای تشخیص آن عیوب قابل استفاده هستند .[10] همچنین گل افشانی و خوزین برای پیشبینی رفتار امواج ورقی در پایش وضعیت سازهها و تشخیص عیوب احتمالی در اتصالات سکوهای نفتی از شبیهسازی مبتنی بر روش اجزای محدود استفاده کردند و نتایج حاصل از مدلسازی نمونههای سالم و معیوب شده با ترکی فرضی را، به منظور بررسی اثر عیب در پاسخ دریافت شده از موج برگشتی، مقایسه نمودند .[11]
دریابر و همکاران با هدف استخراج منحنی پخش برای استفاده در یک آزمون عملی، از شبیهسازی نرمافزاری انتشار امواج ورقی روی مادهی مفروض، که شامل ورق آلومینیومی متصل به ورق کامپوزیتی بود، بهره بردند. اشاره کنیم که آنها از نرمافزار آباکوس برای این منظور استفاده کردند .[12]با مرور ادبیات فن روشن است که شبیهسازیهای نرمافزاری مبتنی بر روش اجزای محدود در طراحی مناسب یک آزمون عملی مورد توجه واقع میشود. استفاده از امواج فراصوت برای کاربردهای مختلف از قبیل عیبیابی، مشخصهسازی عیب، پایش وضعیت و...امری متداول است و شبیهسازی انتشار موج میتواند در طراحی آزمون عملی و تفسیر و ارزیابی نتایج حاصل از آن کمک بسرایی به کاربر نماید.
بر این اساس در این مقاله به طراحی آزمون فراصوت پالس-اِکو و شبیهسازی آن به منظور بررسی رفتار امواج ورقی - لمب - منتشر شده روی ورق آلومینیومی در دو حالت سالم و معیوبشده، که با ایجاد ترکی فرضی در داخل آن مدل میشود، میپردازیم. نرمافزار تحلیل اجزای محدود آباکوس برای این منظور استفاده شده است. پس از شبیهسازی انتشار موج و ثبت پاسخ رسیده در محل پروب دریافتکننده، نوفه ناشی از ابزار و شرایط اندازهگیری به آن سیگنال افزوده میشود و سپس به انجام پیش پردازش، پردازش و پس پردازش لازم روی سیگنال خواهیم پرداخت. هدف اصلی مقایسه سیگنالهای بهدست آمده از آزمونهای ورق سالم و ورق معیوب برای نتیجهگیری صحیح در مورد وجود یا عدم وجود ترک در ورق میباشد.
2.طراحی و شبیهسازی عددی آزمون فراصوت ×
در انجام آزمونها و بازرسیهای مبتنی بر امواج فراصوتی ابتدا با توجه به ماده و قطعهی مورد آزمون و همچنین هدف بازرسی، طراحی آزمون انجام میگیرد. در طراحی آزمون مواردی شامل نوع و تعداد پروبها، مکان و نحوهی قرارگیری آنها روی قطعه، نوع موج مورد استفاده برای تحریک و شکل آن، تعیین میشود. همچنین برای شبیهسازی آزمون در نرمافزار تحلیل اجزای محدود میبایست ملاحظات مربوط به انتخاب نوع و اندازهی اجزای هندسی و گام زمانی، که برای حل عددی صحیح مسئله کلیدی هستند، منظور شود تا به نتایج قابل قبول دست بیابیم. اکنون در این بخش به تشریح این مسائل میپردازیم.
2.1 مشخصات نمونه و موج فراصوتی
نمونهی مورد آزمایش در اینجا یک ورق آلومینیومی مربعی شکل به ابعاد 10cm ×10cm و با ضخامت 1 mm میباشد. مشخصات مکانیکی مادهی آلومینیوم در جدول 1 داده شده است. ورق مفروض در دو حالت سالم و معیوب در نرمافزار آباکوس مدلسازی میشود. مطابق شکل - ، عیب در نظر گرفته شده در نمونهی معیوب ترکی خطی موازی با محور y ها در مرکز ورق است، که طول آن 3 cm، عرض آن 0/5 mm و عمق آن در کل ضخامت ورق میباشد. این ترک به شکل یک ناپیوستگی با ابعاد مذکور به مدل ورق سالم افزوده میشود. قرار دادن محل ترک در میانهی ورق به جهت حداقل نمودن پژواکهای مزاحمی که از لبههای ورق به نقطهی دریافت میرسند بوده است.
