一种管节点焊缝的相控阵自动检测轨迹优化方法及优化系统与流程

本发明属于海上石油工程的无损检测领域，尤其涉及一种管节点焊缝的相控阵自动检测轨迹优化方法及优化系统。

背景技术：

管节点焊缝是钢结构平台中常见的，也是重要的支撑部分，又因其多用于海洋平台中，复杂多变的应力环境(海流)以及较为恶劣的腐蚀环境对结构的稳定性和安全性都提出了比较高的要求，所以定期对其进行检测，评估其服役状态是很有必要的。

目前，管节点焊缝的检测由经过专业技能培训的检测人员手动进行，但由于管节点焊缝结构的特殊性，即焊缝截面形状随着位置的改变而不断改变，检测时需要通过取形规获取焊缝外形，手动补图的方式获取检测点所对应的焊缝截面，耗费时间长，导致检测效率低，而由于环境的限制，此种获取截面方法无法在水下进行，导致无法进行管节点焊缝的在役水下检测。对于一些尺寸较小，或是主支管夹角较小的管节点焊缝结构，手动检测的条件下，可能在焊跟等狭窄位置存在不可到达区，影响检测的精度。选择相控阵探头对管节点焊缝进行自动检测，则可以较好的解决以上问题。但对于自动检测，其最大的重点和难点之一，便是对于扫查轨迹的设计，针对于此，本发明提出了一种管节点焊缝的相控阵自动扫查轨迹优化方法，其有益效果如下：

将超声检测工艺设计与自动扫查轨迹设计相结合，使用先设计工艺，再将工艺转化成扫查轨迹的设计思想，进行了多次优化，实现了工艺和轨迹的设计难度控制，效率管理，同时能够保障自动扫查的检测效果，优化步骤如下：

使用计算机进行截面的自动获取代替手动绘制，省去了大量绘制管节点焊缝截面的时间，大幅提高了检测工艺设计的效率。

检测工艺设计中，运用超声仿真技术，对每个截面不同检测位置的面积覆盖率和有效覆盖率都进行了模拟和计算，同时运用随机数改变检测参数，进行大量横向比较以获取最优解，提高了检测工艺设计的可靠性，保障了以该工艺进行检测的检测效果。

针对于曲面工件和探头的耦合性进行了考虑和优化，减少了由于结构影响所导致的检测误差，进一步的提高了扫查轨迹的可靠性。

结合自动扫查的特性，在进行工艺到轨迹的转化时，选择采用一点一面，有点到线的方法，即每个截面对应一个最佳检测点，最佳检测点相连得到整体扫查轨迹的方法。获取最佳检测点时也充分考虑了扫查机构的结构特点，通过三个方向的参数对扫查时探头的位置进行了准确描述，降低了轨迹的实现难度，提高了可行性。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种管节点焊缝的相控阵自动检测轨迹优化方法及优化系统。具体涉及一种tky管的相控阵自动检测轨迹优化方法。

本发明是这样实现的，一种管节点焊缝的相控阵自动检测轨迹优化方法，包括：获取检测对象的三维建模和二维变截面数据，自动获取基于声束覆盖率的单一截面最佳检测方法，获得优化的周向上自动扫查轨迹。

进一步，所述二维变截面数据为在周向不同位置上管三维模型与焊缝法平面相交所获得的截面数据。

进一步，所述管节点焊缝的相控阵自动检测轨迹优化方法包括以下步骤：

步骤一，建立管节点焊缝的三维模型，并获取在不同位置上与焊缝相垂直的截面数据；

步骤二，利用声束仿真的方法，对每个截面不同检测位置上，声束对焊缝的整体面积覆盖率以及基于声场可到达区域的有效覆盖率进行获取，利用随机数对扇扫起始角度，终止角度进行改变，获得各个检测位置上的最大综合覆盖率，相互比较得到各个截面对应的最佳检测位置。

步骤三，将检测位置转化为扫查点，再由扫查点相连得到周向扫查轨迹。

进一步，步骤一中，所述管节点焊缝的三维模型构建方法包括：

以管节点主管中心轴线为x轴，以主、支管轴线所在平面为xoz面建立空间直角坐标系，根据两管相贯所得相贯线以及空间圆柱体的参数方程，建立两管相贯的三维模型。

进一步，步骤一中，所述不同位置上与焊缝相垂直的截面数据获取方法包括：

通过相贯线的参数方程，获得与相贯线相垂直平面的法向量以及方程表示方法，获得平面与管三维模型相交所得的截面。

进一步，步骤二中，所述根据综合覆盖率获取最佳的检测方法包括：

根据检测对象的尺寸，在每个焊缝截面上划分扫查范围，并以固定的间隔分为n个检测点，对各个检测点依次进行声束的仿真模拟。

选择检测点后，对扇扫角度的范围进行随机选取，起始角度为d1,终止角度为d2,在满足d2>d1,0<d2<90,0<d1<90的条件下随机选择数组(d1,d2),最小位数为个位。并获取其对应的焊缝面积覆盖率和有效覆盖率，获取该位置下能够获得的面积覆盖率和有效覆盖率综合最大值。再对不同检测位置下所获得的最大值进行比较获得最佳的检测位置及其对应的扇扫角度范围。

选择最佳检测点后，需要进行探头和工件表面的耦合判断。即对探头底面与支管表面的距离进行大小判定，如果最大距离d>0.5mm，则该检测位置不符合探头的耦合要求，并选取该截面上检测位置的次优解并再次进行判断，直到得到满足耦合要求的检测位置。

进一步，步骤三中，将检测位置转化为扫查点，由扫查点相连得到周向扫查轨迹包括：

所述检测位置为第二步工艺设计获得的能够实现综合最佳覆盖率的二维截面下检测位置；

所述扫查点为在三维空间中与检测位置对应的探头位置；

所述探头的周向扫查轨迹由不同截面所对应的最佳扫查点组成；

具体包括：

进行二维截面上探头与焊缝的相对位置到三维空间中探头与管相对位置的转换，通过计算得到单个截面上实现声束最佳覆盖时探头的扫查位置参数，并将焊缝截面与扫查位置参数一一对应，再以焊缝根部为起始点，顺时针方向组合成周向扫查轨迹。

进一步，步骤三中，所述转化后的周向扫查轨迹包括：

对于任一位置截面，所述转化后的扫查位置参数包括：在支管轴线方向上，探头前沿到焊缝的距离；以焊缝根部为参考点，探头在周向上所处相位角；探头与焊缝所检测位置垂直时，探头中心轴线与支管轴线所夹的偏转角。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明为实现高效、智能、自动化的管节点焊缝检测，提供了一种自动扫查轨迹的优化设计方法。本发明使用了先设计超声检测工艺，由工艺到轨迹的设计思路，首先对工艺设计的方法进行了优化。在工艺设计中运用了计算机建模和工艺仿真软件，提升了工艺设计的效率和效果。使用了基于声束覆盖焊缝整体面积的面积覆盖率以及基于声场仿真计算声场可到达区域占整体面积百分比的有效覆盖率两个参数对检测效果进行评估，同时对于不同检测位置之间相互进行比较，同一检测位置通过随机数对扇扫角度的起始值和终止值进行穷举，提高了工艺设计的可靠程度。而从检测位置到扫查位置，从二维到三维的转化则降低了后续实现扫查轨迹的难度，并将探头的位置参数通过三轴进行准确的表示，从点到线的轨迹设计方法也充分考虑到了扫查机构的工作原理和管节点焊缝的结构特点，降低了扫查轨迹的实现难度，提升了扫查轨迹的实用性。

对比的技术效果或者实验效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的管节点焊缝的相控阵自动检测轨迹优化方法流程图。

图2是本发明实施例提供的管节点焊缝的相控阵自动检测轨迹优化方法原理图。

图3是本发明实施例提供的给定坐标系下的y型管节点焊缝三维建模示意图。

图4是本发明实施例提供的支管外壁示意图。

图5是本发明实施例提供的声场模拟区域的示意图。

图6是本发明实施例提供的焊缝截面图。

图3至图6中：001、支管；002、焊缝；003、主管；004、空间坐标系；005、主管外壁；006、焊缝外沿；007、支管外壁；008、一次回波；009、直射波；010、焊缝边界；011、焊缝截面图；012、最佳检测点；013、探头轨迹线。

图7是本发明实施例提供的覆盖率折线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种管节点焊缝的相控阵自动检测轨迹优化方法及优化系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明实施例提供的管节点焊缝的相控阵自动检测轨迹优化方法包括：获取检测对象的三维建模和二维变截面数据，自动获取基于声束覆盖率的单一截面最佳检测方法，获得优化的周向上自动扫查轨迹。

本发明实施例提供的二维变截面数据为在周向不同位置上管三维模型与焊缝法平面相交所获得的截面数据。

如图1所示，本发明实施例提供的管节点焊缝的相控阵自动检测轨迹优化方法包括以下步骤：

s101，建立管节点焊缝的三维模型，并获取在不同位置上与焊缝相垂直的截面数据；

s102，利用声束仿真的方法，对每个截面不同检测位置上，声束对焊缝的整体面积覆盖率以及基于声场可到达区域的有效覆盖率进行获取，利用随机数对扇扫起始角度，终止角度进行改变，获得各个检测位置上的最大综合覆盖率，相互比较得到各个截面对应的最佳检测位置；

s103，将检测位置转化为扫查点，再由扫查点相连得到周向扫查轨迹。

步骤s101中，本发明实施例提供的管节点焊缝的三维模型构建方法包括：

以管节点主管中心轴线为x轴，以主、支管轴线所在平面为xoz面建立空间直角坐标系，根据两管相贯所得相贯线以及空间圆柱体的参数方程，建立两管相贯的三维模型。

步骤s101中，本发明实施例提供的不同位置上与焊缝相垂直的截面数据获取方法包括：

通过相贯线的参数方程，获得与相贯线相垂直平面的法向量以及方程表示方法，获得平面与管三维模型相交所得的截面。

步骤s102中，本发明实施例提供的根据声束面积覆盖率和有效覆盖率获取最佳的检测方法包括：

根据检测对象的尺寸，在每个焊缝截面上划分扫查范围，并以固定的间隔分为n个检测点，对各个检测点依次进行声束的仿真模拟。

选择检测点后，对扇扫角度的范围进行随机选取，起始角度为d1,终止角度为d2,在满足d2>d1,0<d2<90,0<d1<90的条件下随机选择数组(d1,d2),最小位数为个位。并获取其对应的焊缝面积覆盖率和有效覆盖率，获取该位置下能够获得的面积覆盖率和有效覆盖率综合最大值。再对不同检测位置下所获得的最大值进行比较获得最佳的检测位置及其对应的扇扫角度范围。

选择最佳检测点后，需要进行探头和工件表面的耦合判断。即对探头底面与支管表面的距离进行大小判定，如果最大距离d>0.5mm，则该检测位置不符合探头的耦合要求，并选取该截面上检测位置的次优解并再次进行判断，直到得到满足耦合要求的检测位置。

所述最佳检测方法判定标准为：在面积覆盖率和有效覆盖率都超过一定阈值的情况下，选择均值即综合覆盖率更大的方案，同时选定的检测方法应满足后续工件与探头的耦合要求。

步骤s103中，本发明实施例提供的根据扫查机构的结构将检测轨迹转化为周向扫查轨迹包括：

所述检测轨迹为探头沿支管外壁进行的周向扫查；

所述周向扫查轨迹为探头的周向扫查轨迹；

所述探头的周向扫查轨迹由不同截面所对应的最佳探头位置组成；

所述最佳探头位置为检测方法在单个截面上实现声束最佳覆盖时的探头位置；

具体包括：

进行二维截面上探头与焊缝的相对位置到三维空间中探头与管相对位置的转换，通过计算单个截面上实现声束最佳覆盖时探头的位置参数，将焊缝截面与扫查位置参数的一一对应，再以焊缝根部为起始点，顺时针方向组合成周向扫查轨迹。

步骤s103中，本发明实施例提供的转化后的周向扫查轨迹包括：

对于任一位置截面，所述转化后的周向扫查轨迹包括：在支管轴线方向上，探头前沿到焊缝的距离；以焊缝根部为参考点，探头在周向上所处相位角；探头与焊缝所检测位置垂直时，探头中心轴线与支管轴线所夹的偏转角。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1：

本发明实施例根据检测对象尺寸参数生成三维模型和二维截面，并以此为根据进行检测工艺的设计，进一步设计出可以用于自动扫查的轨迹。

tky管为变截面结构，而检测工艺设计依托于截面进行。所以需要获得检测对象的三维建模以及任意位置以焊缝的法平面方向所截得到的截面。以支管，主管中心轴线的交点为坐标轴的原点，以主管中心轴线向支管方向为x轴正向，主，支管轴线所在平面为xoz平面，向支管方向为y轴正向建立空间三维坐标系，在此三维坐标系下进行tky管的三维建模，将主支管抽象为具有一定厚度的空心圆柱，主支管相贯线设定为马鞍形，得到tky管的三维数学模型，根据模型公式可得到各个角度上焊缝的法平面方向，并将法平面与管节点模型相交得到焊缝截面。

所述检测工艺设计针对于获得的焊缝二维截面进行，检测工艺设计原理为将探头激发的超声波束抽象为数学意义上的声线，声线在接触到容器壁后将依据斯涅尔定律进行反射与折射，工艺设计时仅考虑直射波和一次反射波，检测工艺设计的原则为尽可能获得更大的声线面积覆盖率和有效覆盖率，即更大的声场可到达区域，软件会在一定的范围内不断改变声束的入射点和相控阵的扇扫参数，即扇扫角度范围，根据综合覆盖率自动选取最佳的检测工艺，并保存后将其与截面图一一对应。

所述检测工艺设计所获得的检测工艺参数包括：二维截面上相控探头的位置，以及该位置下能够获得最佳覆盖率的扇扫角度范围，同时需要将二维截面内探头的检测位置转化为三维空间中探头的扫查位置，转化后的探头位置参数如下：对于任一位置截面，在支管轴线方向上，探头前沿到焊缝的距离，以焊缝根部为参考点，探头在周向上所处相位角，探头与焊缝所检测位置垂直时，探头中心轴线与支管轴线所夹的偏转角。而与焊缝截面一一对应的探头位置参数，以焊缝根部为起始点，按顺时针顺序组成扫查轨迹

所述用于tky管自动扫查的扫查机构应该至少具有以下三个自由度：支管轴向，支管周向，探头朝向，前两个自由度可控制探头移动到支管表面的任意位置，探头朝向可使探头在任意方向上都保持中心轴线与焊缝相垂直的状态。

所述的自动检测轨迹设计方法，提供了tky管二维截面的获取方法，检测工艺的设计方法，以及检测工艺到扫查轨迹的转化方法，最终实现了自动扫查轨迹的设计与优化，解决了tky管自动检测中的一个重要难点，为后续实现tky管的全自动检测打下了基础。

实施例2：

本实施说明对象选择在tky管结构中具有代表性的y型管。

图3是本发明实施例提供的给定坐标系下的y型管节点焊缝三维建模示意图。

图4是本发明实施例提供的支管外壁示意图。

图5是本发明实施例提供的声场模拟区域的示意图。

图6是本发明实施例提供的焊缝截面图。

图3至图6中：001、支管；002、焊缝；003、主管；004、空间坐标系；005、主管外壁；006、焊缝外沿；007、支管外壁；008、一次回波；009、直射波；010、焊缝边界；011、焊缝截面图；012、最佳检测点；013、探头轨迹线。

图7是本发明实施例提供的覆盖率折线图。

在本发明中，建模需要对检测对象的尺寸参数进行输入，需要输入的尺寸参数包括：

主支管的夹角b，所求点所处的相位角a，主管外径r，支管外径r，支管壁厚t，焊缝间隙m，焊缝宽度n。

输入上述参数后，在特定坐标系下，即以支管，主管中心轴线的交点为坐标轴的原点，以主管中心轴线向支管方向为x轴正向，主，支管轴线所在平面为xoz平面，向支管方向为y轴正向进行数学三维建模，建模结果如图2所示。所述二维焊缝截面由不同位置上焊缝的法平面截得。根据立体几何知识易得，在特定相位角a上，y型管节点焊缝的相贯线参数方程为：

x0＝r*sind(a)；y0＝sqrt(r^2-r^2*(sind(a)^2))*cotd(b)r*cosd(a)/sind(b)；z0＝sqrt(r^2-r^2*(sind(a)^2)

法平面法向量的方程为：

x1＝r*cos(a)；y1＝-(((r^2)*sin(a)*cos(a))/sqrt(r^2-r^2*(sin(a)^2)))*cot(b)+r*sin(a)/sin(b)；z1＝-(((r^2)*sin(a)*cos(a))/sqrt(r^2-r^2*(sin(a)^2)))；借由此平面与两管相贯模型相交即可以获得主支管轴线与法平面的交点，即焊缝截面中主支管被截面的圆心。

圆心坐标为o1x＝0；o1y＝(x0*x1+y0*y1+z0*z1)/y1；o1z＝0；

o2x＝0；

o2y＝(x0*x1+y0*y1+z0*z1)/(y1+z1*tand(b))；

o2z＝(x0*x1+y0*y1+z0*z1)/(y1*cotd(b)+z1)；

进一步得到主支管被截所得到两个椭圆的方程，将坐标系进行三维到二维的转化，在二维坐标下根据焊缝参数进行焊缝边缘的计算和绘制，得到y型管节点焊缝的二维截面图。

本实施例中工艺设计在由焊缝法平面与三维模型相交所获得二维截面图上进行，出于检测所需的声束强度考虑，声线覆盖时仅考虑由探头发出得直射波和由支管内壁反射所得的一次反射波，根据模拟所得到的声束的面积覆盖率和有效覆盖率，自动选取其均值，即综合覆盖率更大的方案，并进行后续的耦合检测，在符合耦合条件的情况下得到最佳的工艺参数。

在获得最佳的工艺参数后，将所获得二维截面中探头的位置参数转化为三维空间中探头扫查参数，探头扫查参数包括：

1.探头中心轴线偏转的角度：即该位置上焊缝法平面与支管轴线的夹角，由法平面的法向量和支管轴线的方向向量可自动计算获得；

2.探头在支管轴向上位置：工艺参数获得的，为探头在焊缝法平面上到焊缝的距离，而法平面方向已知，由三角函数关系可自动计算获得在支管轴线上探头到焊缝的距离；

3.探头在支管周向上位置：工艺参数已知探头在支管轴线方向上到焊缝的距离，借由三角函数关系可获得探头位置和探头所检测位置在支管周向上所偏离的距离，再根据检测对象的尺寸参数，即支管的外径计算可获得探头在支管周向上所偏离的角度，即可获得探头在支管周向上的位置。

得探头的三个位置参数分别对应扫查机构所具有的三个自由度，每一个截面对应一组扫查参数，以焊缝根部为起始点，按顺时针方向组成固定的扫查轨迹。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。