双相不锈钢焊缝的声学参量测试和数值仿真研究

Inhomogeneous anisotropic materials are increasingly used in modern industry manufacturing. As a typical example, duplex stainless steel is utilized for constructions of offshore platform and subsea pipeline, due to its outstanding features of corrosion resistance, high strength and good workability etc. It is an urgent problem to test the quality of its weld joints efficiently. Because of the inhomogeneous and anisotropic properties of duplex stainless steel, ultrasonic waves will be scattered, mode-converted and severely attenuated. Thus, its ultrasonic testing has been one of the attractive and difficult issues both home and abroad. To get accurate data, this project will measure the elastic constants point by point in the weld joint by ultrasonics. Then a numerical model will be built by elasto-dynamic finite integration technique (EFIT) to study the propagation and scattering of ultrasonic waves. Furthermore, theoretical and experimental results will be integrated to optimize the model. Systematic method for measuring and analyzing duplex stainless steel will be generated, which will give theoretical and technical guidance to field ultrasonic testing.

在现代工业制造中，非均匀各向异性材料的应用日益广泛。双相不锈钢材料作为典型代表，具有耐腐蚀、高强度和易于加工等优点，被广泛应用于海洋平台和海底管线建设等领域。如何高效地检测双相不锈钢焊缝的质量，已成为海洋工程中亟待解决的问题。由于双相不锈钢焊缝具有非均匀各向异性结构，超声波在其中传播时会出现偏折、分叉和高衰减等现象，导致检测困难，因此其超声检测一直是国内外研究的热点和难点。本项目拟采用声学方法逐点测量焊缝各区域的弹性常数，精确描述其声学特性，并利用弹性动力学有限积分法建立数值仿真模型，研究焊缝中超声传播和散射规律，进一步将理论计算与实验方法相结合，对模型进行优化。本项目将形成研究双相不锈钢焊缝中超声传播与散射的系统测试和分析方法，可为其现场检测提供理论和方法的指导。

在海洋工程、核电等领域，关键金属结构焊接大量采用不锈钢材料，但不锈钢焊缝的超声检测一直是无损检测领域的难题。当超声检测粗晶不锈钢焊缝时，根据柱状晶趋向不同，超声声束出现衰减、偏着和分叉情况，声场分布难以预测，导致工业现场检测信号难以判断，造成缺陷的误判和漏判情况。.本项目通过理论分析和实际实验，探索了基于超声方法在无损条件下测量固体弹性常数；建立了各向异性介质的弹性动力学有限积分模型，完成了粗晶不锈钢焊缝不同激励条件下的声场模拟，明确了应用该模型的效果和限制；搭建了激光测振声场成像系统，实现不透明固体介质中声场的观测；通过超声相控阵检测成像、激光测振成像等方法观测不锈钢焊缝区域，并与仿真结果进行比对分析；基于GPU加速技术实现弹性动力学有限积分模型的并行加速，定量分析了并行加速技术对于数值仿真模型计算效率的提升。在此基础上，初步形成了一套双相不锈钢焊缝超声声场的分析方法。该方法能够根据不同的焊接工艺所形成的金相模拟计算粗晶不锈钢焊缝区域超声的传播和散射情况，为海洋工程、核电等领域工业现场的双相不锈钢焊缝的超声检测工艺制定提供理论参考。.本项目研究结果证明了弹性动力学有限积分模型模拟各向异性不锈钢焊缝中声场分布的有效性。根据仿真计算结果，对于各向异性不锈钢焊缝中的声场分布形成了明确的认识，解释了电测法信号的特征形成。该方法还可推广到其他各向异性固体材料声场的计算分析，为研究超声波在各向异性固体材料中传播提供一种分析方法。