超声导波检测数值模拟.doc

1、毕 业 论 文管道超声导波检测数值模拟学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 指导教师： *年 * 月*大 学 *届 毕 业 论 文第 1 页 共 41 页1 绪论11 课题背景及研究意义现代管道运输起始于19世纪中叶。随着油气资源的开发以及能源市场的急增，管道运输在世界范围内得到了飞速发展，已经成为国民经济的命脉，管道运输业作为与铁路、公路、航空、水运并驾齐驱的五大运输业之一，在经济建设和国防工业中发挥着越来越重要的作用 1。随着管线事故的增多、管龄的增长，由于施工缺陷和腐蚀等问题和人为破坏的存在，管道事故频频发生，给人们的生命、财产和生存环境造成了巨大的威胁。因此，工业发达国家均高度重视管

2、道检测技术的研究和开发，对在役长距离油气输送管道实行强制性的检测，特别是对新建和老龄管道更是十分关注。目前我国多数油气管道已经进入中老年期。为防止管道腐蚀穿孔、爆管等造成的恶性事故的发生，我国每年用于油气管道维修的费用逐步增加。由于检测手段的制约，管道的损伤状况多数不明，往往造成盲目开挖、盲目报废，维修缺少科学性，从而造成人力、物力的巨大浪费。所以，发展一种经济实用、快速高效的管道检测技术成为亟待解决的问题 2。常规的无损检测方法主要有：(1)射线检测法，如x射线、r射线、b射线等；(2)声学检测法，如超声检测、声发射检测、声显微检测等；(3)电学检测法，如涡流检测等；(4)磁学检测法，如磁粉

3、检测、漏磁检测等。但是常规的无损检测技术检测管道，必须要求沿管道逐点检测，检测速度很慢，而检测的成本却比较高，劳动强度大。绝大部分管道运输的是有腐蚀性的物质，工作条件非常恶劣，而且大部分工业管道都带有外包层使之与外界隔绝，常规无损检测必须剥开外包层，大大增加了检测成本 3。近年来发展出了一种能够进行快速、长距离、大范围、相对低成本的无损检测方法，即超声导波检测法。在固体中传播的超声导波，由于本身的特性，沿传播路径衰减很小，所以可以克服逐点扫描法的缺点进行长距离、大范围的缺陷检测；并且超声导波也可在充液、带包覆层的管道中传播，使得检测工业管道的费用大大降低 4。随着超声导波技术的不断发展，超声导

4、波的管道缺陷检测的研究已经逐步从判断缺陷有无和缺陷定位技术，深入到缺陷损伤程度的研究。研究缺陷的损伤程度，主要包括对缺陷几何尺寸和缺陷类型(裂纹、*大 学 *届 毕 业 论 文第 2 页 共 41 页腐蚀、局部变形)的识别等等。为了能够通过超声导波技术实现对缺陷损伤程度的判断，就必须在导波检测所获得的回波信号x和缺陷的几何特征y之间建立一种对应关系f，即建立y=f(x)的关系，也就是获得缺陷几何特征(尺寸、形状等)对缺陷回波信号的影响规律。但是，这需要获得大量的针对不同缺陷的检测信号。在目前的研究基础上，检测信号的获得主要来自于两个方面，一是通过实验获得，二是在实验验证基础上，通过数值模拟的方

5、法获得。相对而言，数值模拟研究的方法具有周期短、成本低、可重复性好，因此，本文就将通过数值模拟的方法，对管道缺陷检测进行研究。通过建立一系列管道缺陷检测的有限元模型以及进行大量的管道缺陷检测的数值模拟和一定数量的对比实验，来获得所需要的数据，研究超声导波检测信号与缺陷几何尺寸之间关系。1.2 国内外研究现状.Ghosh 5在1923年首先推导出波在空心圆柱壳中传播的线弹性解，得到纵向轴对称模态的数值解，但是他没有对解的正确性进行讨论和分析。.azis 6对圆柱空腔中波在三维方向上的传播作了深入研究，推导出了理论模型的两种模态（纵向拉伸波和扭转波）。rmenakas详细讨论了圆柱壳中的弹性波传播

6、理论，指出在管线结构中存在许多模态，并且在相速度频散曲线中给出了可能出现的模态。尽管如此，由于导波的多模及频散特性的复杂性，管中导波的传播性质至今仍未被完全理解 7。英国帝国理工大学机械工程系的PI Cawley，ADemma 8-10等系统的对裂纹和槽类的缺陷进行了有限元数值模拟，比较全面的获得了裂纹和槽类的缺陷的几何形状的变化对回波信号的影响，并获得了管道上的裂纹和槽型缺陷对反射回波信号的影响关系。在国内外的超声导波检测数值模拟的研究中，PCawley，ADemma等的研究相对来说是最全面和系统的。P Cawley等采用有限元方法、使用膜单元模拟了管道上的缺陷对L(0，2)，F(1，3)两

7、种模态导波的反射，并获得了信号的反射率与缺陷的深度和缺陷在周向上的长度的关系曲线，初步建立了缺陷几何尺寸与反射回波信号之间的对应关系。A Demma, PCawley等全面对管道上的槽型缺陷的检测进行了有限元数值模拟，系统地获得了槽型缺陷的几何尺寸的变化对回波信号的影响，从*大 学 *届 毕 业 论 文第 3 页 共 41 页而初步建立了槽型缺陷的几何尺寸与导波回波信号之间的关系。ADemma,P. Cawley11等介绍了膜单元、2D轴对称单元和3D单元在导波的有限元模拟中的应用和建模方法，并分别采用三种单元，建立了带有周向通透的裂纹缺陷(膜单元)、周向非通透的裂纹缺陷(平面单元)和槽型的缺

8、陷(3D实体单元)的管道模型。DNAlleyne等分别采用膜单元和三维实体单元，研究了L(O，2)模态弹性波对管道上遥透性周向槽型缺陷和非通透性周向槽型缺陷的反射，获得了管道上缺陷的周向长度与反射率为线性关系和管道上缺陷的反射率随深度增加，加速增大等比较有价值的结论。Ivan Bartoli等通过有限元方法研究了采用锤击信号对铁轨缺陷进行检测的方法。美国宾西法尼亚州立大学ROSE 12-14等大量采用半解析有限元方法和边界元等方法研究了杆、管道和铁轨等结构中的超声导波传播以及缺陷检测的方法。Wanchan 15等用有限元方法对梯状管中阶梯截面对Lamb波的反射和透射系数进行了研究。美国(如乔治

9、亚理工大学) 16、法国(University du Havre17、澳大利亚(Monash University) 18等国的其他一些大学和研究机构，开展了利用有限元方法和有限差分方法研究板结构中超声导波无损检测的工作。何存富、吴斌 19等综述了无损探测中的超声柱面导波技术及其应用研究进展,着重评述了超声导波的模态和频率选择、导波的激励和接收方法、导波与缺陷的相互作用、信号处理与特征提取及导波技术在无损检测中的应用前景。太原理工大学程载斌 20等对管道上的裂纹缺陷超声导波检测进行了比较全面的数值模拟，获得了管道周向裂纹长度、宽度变化对回波信号的影响的关系，同时，也对管道上的周向单裂纹和双裂纹

10、的定位进行了研究。马宏伟等还采用减薄缺陷处壳单元的方法建立非通透周向裂纹缺陷，李隆涛 21利用APDL语言开发了基于ANSYS二次开发的直管道缺陷模拟检测系统，并利用此系统研究了L(0,2)模态导波对管道上的裂纹缺陷的检测，获得了对管道上的缺陷进行周向和轴向定位的方法。南京理工大学许伯强 22-24,他得安,黄瑞菊等介绍了有限元、边界元等数值模拟方法在超声导波中的应用。*大 学 *届 毕 业 论 文第 4 页 共 41 页2 超声导波技术基础2.1 超声导波的基本概念在无限均匀介质中传播的波称为体波，体波有两种：一种叫做纵波(或称疏密波、无旋波、拉压波、P 波)：一种叫做横波(或称剪切波、s

11、波)，它们以各自的特征速度传播而无波形耦合。而在一弹性半空间表面处，或两个弹性半空间表面处，由于介质性质的不连续性，超声波将经受一次反射或透射而发生波形转换。随后，各种类型的反射波和透射波及交界面波均以各自恒定的速度传播，而传播速度只与介质材料密度和弹性性质有关，不依赖于波动本身的特性。然而当介质中有一个以上的交界面存在时，就会形成一些具有一定厚度的“层”。位于层中的超声波将要经受多次来回反射，这些往返的波将会产生复杂的波形转换且波之间发生复杂的干涉。若一个弹性半空间被平行于表面的另一个平面所截，从而使其厚度方向成为有界的，这就构成了一个无限延伸的弹性平板。位于板内的纵波、横波将会在两个平行的

12、边界上产生来回的反射而沿平行板面的方向行进，即平行的边界制导超声波在板内传播。这样的一个系统称为平板超声波导。在此板状波导中传播的超声波即所谓的板波(或 Lamb波)。Lamb 波是超声无损检测中最常用的一种导波形式，由 20世纪初 HLamb 先生研究无限大板中正弦波问题而得名。除此之外，圆柱壳、棒及层状的弹性体都是典型的波导。其共同特性是由两个或更多的平行界面存在而引入一个或多个特征尺寸(如壁厚、直径、厚度等)到问题中来。在波导中传播的超声波称为超声导波。在圆柱和圆柱壳中传播的导波称为柱面导波。2.2 超声导波的主要特性2.2.1 群速度与相速度群速度与相速度是导波理论中两个最基本的概念，

13、所谓群速度 是指脉冲波gc*大 学 *届 毕 业 论 文第 5 页 共 41 页的包络上具有某种特性(如幅值最大)的点的传播速度，它是波群的能量传播速度。通俗的说，群速度是关于一组频率相近的波的传播速度。而相速度 是波上相位pc固定的一点传播方向的传播速度。值得注意的是，导波以其群速度向前传播。如图2-3，波形a为弹性波在传播一定距离时得到的一个导波波形。波形b为传播距离加大 后得到的一个导波波形。比较两图，b图中包络明显向后移动了一段时间 ，l 1t两个波形的等相位点(这里将其视为某一固定波形的过零点)相差的时间为 。在2工程上，就可以借此粗略地估计这种模式导波在图2-1所示。图2-1 群速

14、度与相速度关系超声波频率附近的群速度 和相速度 为gcpc(2-1)1glt(2-2)2plct导波群速度大并不代表其相速度大；反之，导波的相速度大也不意味着其群速度大。根据群速度经典定义 以及 有gdckpck(2-3)22()pgpp cddc利用 ，第三个等式可以写作2f*大 学 *届 毕 业 论 文第 6 页 共 41 页(2-4)2()pgcdf这就是群速度与相速度的关系。其中： 为群速度， 为相速度， 为频gcpcfd率-厚度积， 为导波的频率，d为测试件的厚度。对于板而言，d为板的厚度；而f对于圆管，d为管的壁厚。2.2.2 导波的多模态性及频散现象体波和导波最大的区别就在于导波

15、是频散的，而且在一定的频率有不只一种模态。这些导波的特性取决于加载条件和波导的形状。图2-2为一内半径832mm、壁厚55mm钢管的频散曲线，每一条曲线对应着一个导波模态。从图中可以看出，在任一频率下至少存在两个以上的导波模态：并且随着频率的增加导波模态数迅速增加，这就是导波的多模态现象。在理想的情况下，希望在波导中仅产生单一模态的波，若导波遇到缺陷产生反射，所得到的回波将较为容易分析。多模态的存在大大增加了导波技术应用于无损检测的复杂性。图2-2 内半径83.2mm、壁厚5.5mm钢管的频散曲线在任一频率厚度积下至少存在两个以上的导波模态，并且随着频率厚度积的增加导波模态数迅速增加，这就是导

16、波的多模态现象。多模态的存在使得问题更加复杂。在低频厚积的情况下至少存在两个模态，并且随着频厚积的增长，会产生更多的模态。即使激励了单模态的超声导波，在边界或其他不连续处(如缺陷)也要发生模态转换。因此，接收到的信号通常包含两个或两个以上的模态，进行多模态的信号处理是必然的。当超声导波在板、杆或管道等波导中传播时，由于*大 学 *届 毕 业 论 文第 7 页 共 41 页受到波导几何尺寸的影响，使得在波导中传播的超声波的速度依赖其频率，从而导致超声波的几何弥散，也就是说，导波中相速度随频率的不同而改变，这种现象称之为频散现象。频散分为物理频散和几何频散，物理频散是由材料本身的物理性质决定(如非

17、线性效应等)，几何频散则是由于波导几何尺寸的影响。在实际激励某种模态的导波的过程中，通常是取5-10周期的单音频信号加窗调制，这样发出的激励信号就是以单音频信号为中心频率的一组频率不同的信号。各个频率的信号以不同的速度在波导中传播，这就意味着信号的形状将随信号传播距离的变化而变化。通常是随着传播距离的增加时域变宽。如果频散现象严重，信号的幅度将迅速衰减，能量分散在时域空间上。信号变宽为分析有用的信号带来了很大的困难，幅度的减小降低了检测的灵敏度，使信号的特征提取与识别变得很困难。图2-3所示为一厚度为2.76mm钢板中0.4MHz的A2模态导波传播50mm、100mm后的结果，激励信号为10个

18、周期的单音频加HANNING窗调制信号，可以看出，由于频散现象严重，信号在经过100mm后时域宽度明显增加且幅度明显减小。图2-3 频散现象示意图2.3 在管状波导中激励导波2.3.1 周向导波的激励UKawald，CDesmet，W Lauriks，CGlorieus，JThoen 25应用线聚焦He Ne激光器与干涉仪在空心圆管上沿弯曲表面激励接受传播的波并分析其性质；Weimin Gao，Christ Glorieux，Jan Thoen利用线聚焦HeNe激光器与干涉仪在一铝管中产生周向导波并对数据进行一系列处理后从频谱的变化中观测到已加工出的缺陷；Zhaobao Li，Y HBerth

19、elotl 26应用压电楔型换能器在厚环形体中激*大 学 *届 毕 业 论 文第 8 页 共 41 页励Rayleigh表面波和周向导波并进行研究；QuJianmin，Y H Bert_helot，LJJacobsl 27利用楔型换能器环型轴承套中激发周向导波并且经过数据处理检测到了轴承套内壁径向分布的疲劳裂缝；Markus Kley,Christine Valle，Laurence JJacobs 28应用激光超声方法沿双层圆管周向激励导波并应用二维傅立叶法实验得到相应的频散曲线。在已经进行的周向导波研究中，对于周向导波的激励接收一般采用激光干涉仪或楔型换能器，采用激光法的优点是无需要接触试

20、件表面，但是它所需要的设备庞大、贵重，所激励出的信号为一宽带信号，导波的频散及多模态增加了对此类信号分析的复杂性。采用压电楔型换能器的好处是可以使用窄带信号激励，但是换能器一般与试件的接触面为平面，将其应用在弯曲表面上由于接触面不足够将会导致信号幅度的降低；若将楔型块的接触面修磨成与弯曲表面曲率相同，则楔型块接触面上的几何声学参数将发生变化，所以需要对修磨后楔型换能器的特性重新测定。2.3.2 柱面纵向导波的激励与接收L.JRose 29等利用内插式锥型压电换能器进行在管道内激励、接收导波的实验研究，结构如图2-4所示，内插式锥型压电换能器套入管道，导波的激励、接收由压电锥体完成，并经过有机玻

21、璃和水耦合。压电锥体与有机玻璃沿管道圆周分布，可以在管道中激励出沿圆周均匀分布的导波模态。该形状换能器虽可激励、接收导波，但由于结构复杂且换能器尺寸受管道限制，并不实用。图2-4 内插式锥型压电换能器LJRose等利用脉冲激光在管道中激励超声导波，在管道内填充一个内插式抛物线型铜反射镜，利用铜反射镜聚焦，使得脉冲激光的能量经反射后沿管道圆周方向均匀分布，因此也可以产生能量沿圆周均匀分布的导波模态。L.JRose*大 学 *届 毕 业 论 文第 9 页 共 41 页等学者利用脉冲激光+内插式抛物线型铜反射镜在管道中激励导波，并用内插式锥型压电换能器接收导波信号以研究导波在管道中的传播和人工缺陷的

22、检测。虽然利用激光激励导波是无接触式的，受管道尺寸影响不大，但是激光设备一般比较庞大、昂贵，所以利用激光在管道中激励导波的应用研究目前开展的还不是很广泛和深入。MGori 30等利用电磁声换能器(EMAT)，在一U形管道上激励、接收SH导波并研究检测特定的人工裂缝。LLaguerre 31等利用图2-5所示的装置在管道中激励，接收纵向柱面导波，并且研究导波在管道中的传播特性。图2-5 磁致伸缩换能器在管道中激励、接收导波示意图Won-Bae Na32等利用EMAT在嵌入混凝土的钢杆上激励柱面导波，通过判断接收导波信号的能量谱，分析钢杆与混凝土空隙夹层的多少。T.Yamasaki 33等利用EMAT装置在钢丝上激发导波并利用信号反向激励的方法确定已知人工缺陷的位置。与激光激发导波相同，利用电磁声换能器（EMAT）是一种无接触的方式，但除了同激光装置一样较大不方便外，线圈与试件的间隙严重影响着测量结果，因而限制了它的应用。2.4 本章小结本章主要简要介绍与导波密切相关的概念、主要特征及其激励方法，以指导下一步的数值模拟和实验工作。