赵向辉 周利虹
洛阳市质量技术监督检验测试中心 河南省洛阳市 471000
摘要：对于实木家具的无损检测问题，由于实木家具具有广阔的市场前景和大量的消费群体，但家具市场的质量令人担忧，相应的无损检测技术的发展相对缓慢。超声检测是最常用的无损检测技术之一，具有穿透能力强、灵敏度高、成本低、应用范围广等特点。本文利用有限元分析软件ANSYS建立了几种板的二维模型，对超声波在各种板中的传播进行了模拟计算。仿真结果表明，超声波在模型中的传播过程清晰可见，根据超声波的波形和速度可以初步判断出木质家具的类型。仿真结果表明，超声检测实木家具的质量是可行的。
关键词：超声检测；有限元；仿真；实木家具
1前言
实木家具采用天然材质，给人一种自然、清新的舒适感，因此，无论是木质的家具还是雕刻而成的木质饰品，总是受到许多消费者的青睐。而目前家具质量状况却令人堪忧。产品质量以次充好，掺杂使假等现象屡见不鲜。面对纷繁复杂，形式各异的家具，仅凭普通消费者从外观上是很难分辨出哪些是实木家具，哪些又是木质人造板家具。对于木质家具的材质检测往往由质检中心或者其它一些社会性质的质检机构完成，而相应的检测方法大多数是破坏性的，这不仅造成的巨大的资源浪费，也消耗大量的人力资源。超声检测是利用进入被检材料的超声波对材料进行物性检测，是一种应用广泛的无损检测方法。由于超声检测受试件形状、内部结构和缺陷类型的影响较大，需要具有丰富的检测经验，为了提高检测结果的可靠性，避免较强的主观判断和资源浪费，超声检测仿真技术显得尤为重要。
2超声波检测原理
木质家具包括实木家具和人造纤维板家具等，其中木材属于各向异性材料。本文主要采用ANSYS软件对家具类型进行超声检测仿真，分析时假设木板工作在线弹性区域，板材匀质且各向同性，因为检测时板材受力较小，这种假设是合理的。固体中声场的基本方程为:
（1）
其中λ、μ为拉梅常数；u为质点位移。将模型划分为若干单元和节点后，构造位移差值函数，由方程导出系统运动方程:
（2）
其中¨α(t)和α(t)分别为系统节点加速度向量和节点速度向量；M、C、K、Q(t)分别为系统质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和节点载荷向量。如果忽略阻尼影响，系统的运动方程则为:
（3）
若Q(t)=0，则变为系统的自由振动方程。超声波是一种机械波，在传播过程中具有波的干涉、叠加、散射和衍射等波动特性，当超声波垂直入射到平界面上时会发生透射和反射现象。为了便于研究各声压间的关系，给出声压反射率r和声压透射率t的表达式:
（4）
（5）
其中P为声压，Z为阻抗，I为声强。由上式(4)(5)可以看出，界面两侧介质差异越大，反射声压越大，透射声压越小；反之，反射声压越小，透射声压越大。
3超声检测模型的建立
3.1激励信号的选取
利用有限元法进行超声检测仿真时需要考虑两大方面:激励超声脉冲信号的选取以及模型中超声波的传播。脉冲载荷加载于探头与工件接触的节点上，通常采用瞬态激励脉冲来仿真探头晶片的振动，其数学方程为:
（6）
式(6)中，f为探头超声频率，本文选用2．5MHz及5MHz作为检测频率，图2为f=2．5MHz时的激励信号的时域图。
3.2试件模型的建立
通过ANSYS软件进行模型的建立及瞬态动力学分析，二维模型采用plane182类型单元(具体单元描述可参考AN-SYS理论手册)。为了保证计算精度，每波长至少有8个元步长，瞬态动力学分析类型中选用FULL法，合理的时间步长对计算精度和效率具有重要影响。2D模型共创建三类，分别为纯木板、夹层板和贴皮板。在模型一边施加瞬时载荷仿真入射超声波，同端接收回波信号，通过回波信号等对试件模型进行相关分析。
4超声检测数值仿真
4.1无缺陷木板数值仿真
创建紫檀和刨花板2D模型，宽高尺寸分别为120mm×30mm和80mm×20mm，网格尺寸分别为0.2mm和0.1mm，所有边界均采用自由边界条件，超声检测频率为2.5MHz。（a)(b)分别为超声传播的初始和中间阶段，可以清楚的看到纵波和横波的传播过程，其中纵波的波速大于横波波速，纵波也是超声检测中最常用的波型。当纵波到达底面时发生反射现象，(c)(d)图可以明显看到纵波的回波信号，而几乎看不到横波的反射波。两种材料中某节点的位移图，图中包含首波波形和底面回波波形，声波在传播过程中存在一定的能量损失，因而底面回波信号波幅相对较小，通过波形间的时间差，可以求得超声传播速度。分别读取(a)(c)图时间差，求得紫檀和刨花板中声速分别为ν1=3702m/s，ν2=1920m/s，理论速度分别为3912m/s和1860m/s，可见两种材料的声速相差较大。
4.2贴皮木板数值仿真
对于实木贴皮类家具，由于实木贴皮厚度较小，超声检测存在一定难度，下面仅对贴皮界面处的回波进行数值仿真。创建2D模型，整体尺寸为40mm×20mm，其中贴皮采用紫檀木，尺寸为40mm×0.8mm，内部材质为刨花板.超声激励频率采用2.5MHz和5MHz两种频率检测，为了得到接触界面的回波波形，下面仅对激励初始阶段进行仿真。激励频率为2.5MHz时，上表面节点的振动与激励源振动相差不大，难以判断板材是否为贴皮板。而频率为5MHz时，波形后半段出现反复震荡，在实际检测中，需要多点采样，综合判断。
4.3夹层木板数值仿真
超声波是一种机械波，在不同材料的接触界面上会发生透射和反射现象，界面两侧的材料的差异大小决定了反射能量和透射能量的比例。为了进一步观察不同界面处的波的传播过程，创建紫檀－刨花板和紫檀－楠木模型，整体尺寸均为80mm×20mm，界面上层为紫檀木。超声波到达界面时发生了反射和透射现象，根据颜色深浅得到透射声波能量较大，为底面回波到达界面处的传播图。随着界面两侧材料差异越大，反射声能越大，反之，透射声能越大，当两种材料性能非常接近时，反射率几乎为0，声波接近完全透射。
5结束语
本文利用有限元软件ANSYS对实木家具质量进行超声仿真检测，通过上述超声波仿真结果可以看出:①有限元软件ANSYS能够仿真超声波在不同类型木质板材中的传播，得到各种木质板材的超声波传播速度。②对于贴皮类木质板材可以通过适当提高超声波频率实现相关检测。③夹层板类型的板材可以采用多点采样，综合分析波形变化规律从而进行判断。④超声检测技术可以应用于实木家具质量检测工作中。超声波数值仿真不仅能够直观地观察超声波在木质板材中的传播过程，而且能够节约大量试件成本，提高检测效率，具有广泛的应用前景。
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论文作者:赵向辉,周利虹
论文发表刊物:《防护工程》2018年第30期
论文发表时间:2019/1/17
标签：超声论文; 超声波论文; 声压论文; 模型论文; 回波论文; 实木家具论文; 分别为论文; 《防护工程》2018年第30期论文;