不同参数对超声波在玻璃钢复合材料中传播特性影响数值仿真研究

时间：2024-05-22

杨宇清* 蔚道祥

（上海市特种设备监督检验技术研究院）

0 引言

玻璃钢材料具有比模量高、比强度高以及质量轻等优良特性，其密度比碳钢要小很多，为碳钢的20%～25%，有利于运输和安装，同时具有很高的机械强度，拉伸强度和抗弯曲性能甚至超过了一些合金材料，玻璃钢中含有玻璃纤维可以增强材料的刚度和强度[1]。由于玻璃钢材料具有以上优良特性，目前被广泛应用于航空航天、大型风电叶片等领域，同时玻璃钢材料的应用范围还在不断扩大，如应用在石油管道、交通运输、天然气汽车和电动汽车等行业中[2-3]。玻璃钢在日常生活中也较为常见，如吸尘器、玻璃钢浴缸、玻璃钢钓鱼竿等，不仅环保而且成本低。随着玻璃钢技术不断发展和自身良好的优越特性，玻璃钢在各个领域都具有良好的应用前景，其应用范围将会越来越广[4]。

玻璃钢材料也存在一些问题和缺点，在玻璃钢中加入一些纤维有助于提高复合材料的力学性能，但制作工艺过程中的稳定性和组分的多样性等[5-7]原因，都可能导致玻璃钢材料出现缺陷（如夹杂、分层、空隙、纤维分布不均匀等），若材料中出现缺陷，那么玻璃钢材料的断裂韧性、延展性、抗蠕变损伤能力和疲劳寿命都会降低[8-9]。近年来，国内外学者一直致力于研究玻璃钢材质的声发射检测。由于玻璃钢材料具有各项异性特点，超声波在玻璃钢中传播情况较为复杂，这给玻璃钢材料的检验检测工作带来了一定困难。在实际应用中，不同应用场合下玻璃钢材料厚度是不同的，对其进行超声检测时，需要了解厚度对声学特性的影响，还要选择合适的探头频率，明确检测频率和材料方向对声学特性的影响，从而对材料进行全面检测。故本文利用ABAQUS 有限元仿真软件探究与纤维呈不同角度、玻璃钢厚度、检测频率对超声波传播的影响，为后续玻璃钢声发射检测技术提供参考。

1 不同厚度玻璃钢仿真及结果分析

玻璃钢的应用场合不同时，其厚度也不同，在进行超声检测时，需了解玻璃钢厚度对声学特性的影响，以便于设置检测参数。针对该问题，分别选取3，6，9 mm 厚度的玻璃钢模型进行仿真模拟，其中纤维铺设角度为0°，频率分别为500 kHz 和600 kHz，仿真参数及结果可见表1。将仿真结果绘制成折线图，如图1 所示。

由图1 可知，在500，600 kHz 这两种检测频率条件下，随着玻璃钢复合材料板厚增大，超声波声速变大。由表1 中的超声波峰值可知，随着玻璃钢材料厚度增大，声速也随之增大，同时超声波衰减也不断增大。

表1 不同厚度的数值仿真结果

图1 不同厚度对应的声速折线图

2 与纤维呈不同角度仿真及结果分析

本部分主要探究玻璃钢板与纤维呈不同角度时的超声波传播特性。选取0°/90°交替铺层纤维方式，建立有限元仿真模型时，将插件中铺层角度设置成为0°/90°交替铺层，其中每层的厚度设置为0.5 mm，共铺设12 层，所以玻璃钢板的厚度为6 mm，激励为中心频率为500 kHz 的调制正弦信号，固定分析信号的距离中心点为100 mm，分别在方向为0°，30°，45°，60°，90°处设置分析信号点。图2 所示为对应的场输出图部分截图，仿真结果如表2 所示。将仿真结果绘制成折线图，如图3 所示。

图2 场输出的动态截图

表2 不同方向的数值仿真结果

图3 不同方向时对应的声速

由图3 可知，0°和90°是沿纤维方向，声速明显大于其他方向，且45°方向声速最小，可知沿着纤维方向声速较大；根据表2 中的峰值可知，沿着纤维方向的衰减要大。

3 不同激励频率数值仿真及结果分析

由于玻璃钢材料衰减较大，检测频率对超声波衰减影响较大，为了探究检测频率对超声波在玻璃钢材料中传播特性的影响，选取3 ，6 mm 两种厚度规格玻璃钢试块，检测频率为500，600，700 kHz 时的声速情况，其他检测参数均相同。仿真参数及检测结果如表3 所示，将仿真结果绘制成折线图，如图4 所示。无论是在3 mm 的玻璃钢试块，还是在6 mm 玻璃钢试块中，当检测频率增加时，声速也随之变大，由表3 中的峰值可知，当频率变大时，衰减也不断变大。