反求工程在超声衍射时差法三维建模中的应用

　　自20世纪80年代初英国的Silk开始研究衍射时差法[1]以来,该方法已在无损检测中得到广泛应用。但目前的研究不能直接得到被测件及其缺陷的三维实体模型,不能直观地查看工件缺陷,因此笔者提出了基于反求工程的三维CAD建模法。

　　1　TOFD法原理

　　TOFD是一种可以精确测量缺陷尺寸的超声波检测技术,可精测平面缺陷在壁厚方向的高度,为设备的可用性评估提供试验数据。

　　TOFD法是用两个处于相对位置的探头一发一收,利用超声波在缺陷端部产生的衍射和散射波来检测和评定缺陷(图1)。

　　最先到达接收探头的声波是侧向波,它是在被检件近表面传播的波,在无缺陷试件中,第二到达接收探头的是底波,它是从试件另一面反射的声波。

　　检测时,以侧向波和底波作为参考。当试件中存在平面缺陷时,缺陷上端衍射波比下端衍射波先到达接收探头,并且这两个纵波信号位于侧向波和底波之间(图2)。通过简单几何关系,就能测出缺陷在壁厚方向的埋藏深度和自身高度。

　　图2两参考波(侧向波和底波)的相位相反,缺陷端部衍射波(上下端波)相位也相反,即侧向波与缺陷下端波同相位,缺陷上端波与底波同相位^[2] 。

　　2　反求工程

　　反求工程是在没有设计图样、设计图样不完整以及没有CAD模型的情况下,按照现有工件的模型(称为工件原形),利用各种数字化技术及CAD技术重新构造原形CAD模型的过程^[3] 。

        超声波检测过程中,检测人员往往面对的是不具备CAD模型的实物样件,为此需通过反求技术复现其CAD模型。反求工程一般可分三个步骤:

　　(1)工件原形数字化。通常采用各种测量装置来获取工件各点的三维坐标值。

　　(2)从测量数据中提取工件原形几何特征。按测量数据的几何属性对其进行分割,用几何特征匹配与识别方法来获取工件原形所具有的几何特征。

　　(3)重建工件原形CAD模型。将分割后的三维数据在CAD系统中分别作表面模型拟合,通过各表面的求交与拼接获取工件原形CAD模型。

　　3　CAD建模

　　CAD建模主要步骤为数据采集和CAD建模。

　　3.1　数据采集

　　工件实体数字化是CAD建模的首要环节,测量数据的采集直接影响CAD建模的最后结果,影响检测结果的准确性。

　　如采用TOFD法进行多角度测量,则可测得工件实体及缺陷各方位上的数据,由此即可进行CAD建模。