[发明专利]一种用于储能弹簧超声导波检测的探头的设计方法

说明书

本发明涉及超声导波检测技术领域，具体涉及一种用于储能弹簧超声导波检测的探头的设计方法。本发明以高压断路器中的储能弹簧为研究对象，利用圆柱壳结构频散方程和MATlab软件来计算储能弹簧各圈频散曲线，得到不同形状参数下的储能弹簧频散曲线，然后根据snell定律计算得到激励频率和探头入射角度的关系曲线，简易快速设计出适用于不同结构形式的检测探头，可以开展储能弹簧裂纹导波检测，以便能够及时掌握断路器储能弹簧质量情况，为储能弹簧裂纹导波检测的进一步研究奠定基础。

技术领域

本发明涉及超声导波检测技术领域，具体涉及一种用于储能弹簧超声导波检测的探头的设计方法。

背景技术

高压断路器储能弹簧是一个变曲率的圆柱形复杂环形结构，检测空间狭窄，弹性导波与结构作用后会发生频散、反射和散射等现象，在不同厚度板及不同激发频率下会产生不同的传播模态，不同的传播模态对不同的缺陷会有不同的敏感性。在厚度一定的情况下，导波模态的选择不仅与频率相关，还与探头的入射角有关。因此，需要针对每种规格型号的储能弹簧开发专用检测探头。而目前的研究大多集中在板和管等结构形式，对于复杂结构的研究比较少，尚未见到有对变曲率的复杂螺旋板状结构的研究，尤其是检测探头的设计研究。因此，以高压断路器中的储能弹簧为研究对象，简易快速设计出适用于不同结构形式的检测探头，对开展储能弹簧裂纹导波检测，及时掌握断路器储能弹簧质量情况有着重要的意义。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于储能弹簧超声导波检测的探头的设计方法，以高压断路器中的储能弹簧为研究对象，利用圆柱壳结构频散方程和MATlab软件来计算储能弹簧各圈频散曲线，得到不同形状参数下的储能弹簧频散曲线，然后根据snell定律计算得到激励频率和探头入射角度的关系曲线，简易快速设计出适用于不同结构形式的检测探头，可以开展储能弹簧裂纹导波检测，以便能够及时掌握断路器储能弹簧质量情况，为储能弹簧裂纹导波检测的进一步研究奠定基础。具体技术方案如下：

一种用于储能弹簧超声导波检测的探头的设计方法包括以下步骤：

(1)根据相关参数建立与储能弹簧曲率近似的内外表面均为自由表面的空心圆柱体结构；

(2)利用弹性力学知识以及边界条件推导周向导波频散方程；

(3)采用MATlab软件计算周向导波群速度频散曲线；

(4)根据snell定律计算得到激励频率和探头入射角度的关系曲线；

(5)根据检测灵敏度要求确定检测探头的检测频率与入射角；

(6)制作检测探头。

优选地，所述步骤(1)中相关参数为表征空心圆柱体弯曲程度的形状参数η，η的值为空心圆柱体内外径之比。

优选地，所述步骤(3)中的计算公式为步骤(2)推导的周向导波频散方程，采用的参数为步骤(1)中的相关参数的数值。

优选地，所述步骤(4)中snell定律的计算公式为：θ＝sin^-1(c/c_p)，其中θ为探头入射角，c为纵波波速，c_p为相速度。

优选地，所述步骤(5)中根据超声波理论，检测灵敏度可检测出的最小缺陷尺寸为半波长，再由f＝c_g/λ，可以得到激励频率f和群速度c_g的关系。

本发明的有益效果为：本发明提供了一种用于储能弹簧超声导波检测的探头的设计方法，可以简易快速计算检测频率与入射角，然后设计出适用于不同结构形式的检测探头。

附图说明