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【6h】

CCASS母材结构建模与超声检测数值模拟研究

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摘要

1 绪论

1.1 选题背景与研究意义

1.2 CCASS的超声检测

1.2.1 CCASS焊缝超声检测的难点

1.2.2 CCASS焊缝超声检测的实验研究

1.2.3 CCASS焊缝超声检测的模拟研究

1.3 CCASS母材的晶粒建模

1.3.1 结合EBSD技术的晶粒取向研究

1.3.2 奥氏体不锈钢晶粒建模的主要方法

1.3.3 CCASS超声检测的有限差分法模拟

1.3.4 CCASS超声模拟仿真软件简介

1.4 本课题研究内容

2 非均质弹性各向异性金属材料的声学性能

2.1 超声波在材料中的传播特性

2.1.1 声速

2.1.2 声衰减系数

2.1.3 信噪比

2.1.4 检测信号的频谱分析

2.2 多晶金属材料的超声散射

2.2.1 晶粒度对超声散射的影响

2.2.2 晶粒取向对超声散射的影响

2.3 弹性材料中超声波的传播

2.3.1 弹性各向同性材料中超声波的传播

2.3.2 弹性各向异性材料中超声波的传播

2.4 本章小结

3 CCASS的实验研究

3.1 CCASS宏观金相

3.2 CCASS微观金相

3.3 CCASS声学参数测量

3.4 本章小结

4 CCASS模型的建立与模拟研究

4.1 CCASS柱状晶晶区建模

4.1.1 CCASS柱状晶晶区模型的建立

4.1.2 CCASS柱状晶晶区模型的验证

4.2 CCASS等轴晶晶区建模

4.2.1 CCASS等轴晶晶区模型的建立

4.2.2 CCASS等轴晶晶区模型的验证

4.3 CCASS母材模型的建模

4.3.1 CCASS母材模型的建立

4.3.2 CCASS模型的验证

4.4 CCASS模型的模拟研究

4.4.1 不同探头频率的CCASS模型的模拟

4.4.2 不同探头频率CCASS模型的模拟信号频谱分析

4.4.3 不同探头直径的CCASS模型模拟

4.5 CCASS孔缺陷模型的模拟研究

4.5.1 CCASS孔缺陷试块检测信号的频谱分析

4.5.2 不同直径孔的CCASS缺陷模型的建立

4.5.3 不同直径孔的CCASS缺陷模型的验证

4.5.4 不同直径孔的CCASS缺陷模型的模拟

4.6 CCASS槽缺陷模型的模拟研究

4.6.1 底面开口槽的CCASS缺陷模型的建立

4.6.2 底面开口槽的CCASS缺陷模型的模拟与验证

4.7 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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摘要

窄间隙自动焊具有焊缝宽度小、质量高、焊接工期短等优点,目前在核电站主管道焊接领域已逐步替代传统的焊条电弧焊。压水堆核电站主管道焊缝通常使用双晶纵波斜探头进行超声检测,与焊条电弧焊焊缝相比,声波在窄间隙自动焊焊缝母材中的传播距离较长,以壁厚66mm的离心铸造奥氏体不锈钢(Centrifugal Casting Austenitic StainlessSteel,CCASS)窄间隙自动焊焊缝为例,利用入射角为45°的双晶斜探头检测深度30mm的缺陷时,声波在母材中的传播距离(37mm)远远大于在焊缝中的传播距离(5mm)。由于CCASS母材晶粒粗大,具有明显的非均质性及弹性各向异性,导致超声发生声束畸变和严重散射衰减,降低了检测信噪比。鉴于数值模拟具有可视性好、参数调节方便等优点,可以有效模拟超声波在材料中的传播,通过与实验研究相结合能够提高检测效率,对于超声检测研究具有重要意义。基于现有建模主要针对焊缝,而母材建模研究较少的现状,本研究针对牌号为Z3CN20-09M的CCASS材料,采用通用的Voronoi图开展母材组织结构建模研究,并利用有限差分法进行超声检测数值模拟,主要内容如下:
  (1)对CCASS试块的宏观金相分析表明,母材主要由柱状晶区和等轴晶区交叠构成,分层现象明显,且不同等轴晶区的平均晶粒直径存在差异。对壁厚96mm的CCASS试块母材晶粒直径进行测量,测得柱状晶的长度为12.77mm,宽度为1.11mm,长径比约为11.5;采用截距法,截取30mm长度测得从外壁到内壁的三层等轴晶区的平均晶粒直径分别为1.2mm、1.8mm和2.8mm。
  (2)对CCASS试块进行声学参数测量,试块焊缝左侧、右侧母材平均纵波声速分别为5714m/s和5770m/s,左右两侧声速相差56m/s,声速波动△VL=0.98%;试块焊缝左侧、右侧母材的衰减系数分别为0.098dB/mm和0.074dB/mm,二者相差0.024dB/mm,相对差值约24%,衰减系数差别较大。
  (3)基于Voronoi图,利用MATLAB分别建立CCASS试块的柱状晶区模型和等轴晶区模型,并以此为基础得到CCASS试块的母材模型,将模拟计算得到的时域波形、纵波声速和声衰减系数与实际检测结果进行对比,二者吻合较好,证明了CCASS试块母材结构建模的有效性。然后,以母材模型为基础,建立了孔直径为Φ5mm的CCASS孔缺陷模型,模拟时域波形与实测波形对应良好。最后,建立了底面开口槽高度分别为1~22mm的CCASS槽缺陷模型,模拟波形与实测波形吻合,结果表明,随着底面槽高度的增加,回波信号的幅值逐渐增加并趋于定值。

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