تغييرات سرعت امواج فراصوتي طولي در حضور يك گراديان درجه حرارت؛ بخش اول: مدلهاي دو بعدي تيوري و عددي

Variation of Longitudinal Ultrasonic Wave Velocity in the Presence of a Thermal Gradient; Part 1: 2D Theoretical and Numerical Models

آزمون فراصوتي يك روش غير مخرب پركاربرد براي تعيين خواص مكانيكي و متالورژيكي مواد است. در اين روش، سرعت و يا ضريب استهلاك امواج فراصوتي اندازه گيري مي شوند و دقت اندازه گيري آنها بسيار مهم است. در اين مقاله، تغييرات سرعت امواج فراصوتي طولي حجمي در حضور يك گراديان حرارتي و با فرض توزيع دماي خطي به دو روش تيوري و عددي بر اساس يك مدل دو بعدي مورد بررسي قرار مي گيرد. اثر گراديان دما و دو پارامتر طول قطعه و دماي سطح گرم قطعه به عنوان پارامترهاي تعيين كننده ي اثر گراديان درجه حرارت بر روي سرعت موج فراصوتي مورد مطالعه قرار مي‌گيرد. جهت انجام مطالعات تيوري، معادله اي جديد براي اولين بار براي اين مسيله ارايه مي شود. جنس قطعه مورد مطالعه فولاد st37 است. جهت ارزيابي معادله ي بدست آمده ابتدا دماهاي دو سطح بالايي و پاييني قطعه ثابت فرض مي شود و اثر تغييرات طول قطعه در بازه m 0.1-0.05 بر روي سرعت امواج فراصوتي بررسي مي شود. سپس اثر تغييرات دماي قسمت گرم قطعه با فرض ثابت بودن طول قطعه و دماي سطح بالايي، در محدوده دمايي K 998- 398 بررسي مي شود. مدل سازي عددي اين مسيله در نرم افزار اجزاي محدود انسيس انجام شده است. نتايج حاصل از مدل تيوري با نتايج حاصل از مدل عددي اجزا محدود مقايسه و تطابق بسيار خوبي بين آنها مشاهده شده است.

Ultrasound test is a widely used non-destructive method for determining the mechanical and metallurgical properties of materials. In this method, ultrasonic wave velocity or attenuation coefficient is measured and measurement accuracy is very important. In this paper, variations of longitudinal wave velocity are studied in the presence of a thermal gradient both theoretically and numerically using a 2D model. A linear temperature distribution is assumed and the length of the work piece and the temperature of the hot side are considered as varying parameters. A new 2D theoretical model is developed for this problem. The test piece is made of st37 steel. To evaluate the proposed equation, we assume constant temperatures and the length of the work piece are varied in the range of 0.05-0.1 m. Then, we study the effect of the temperature of the hot side from 398 -998 K. By ANSYS software, a novel two-dimensional finite element model (FEM) is developed in axisymmetric state for this problem. The results of the theoretical model are compared with those obtained from the numerical model and very good agreement is observed.