管道焊缝缺陷超声导波检测仿真研究-开题报告

XX大学毕业设计（论文）开题报告题目 管道焊缝缺陷超声导波检测仿真研究 专 业 名 称 测控技术与仪器班 级 学 号 11081331学 生 姓 名 许大贵指 导 教 师 龙盛蓉填 表 日 期 20xx 年 4 月 9 日一 选题的依据及意义随着科学技术的进步，尤其是机械制造业的发展，管道在航空航天领域，船舶领域，汽车工业以及压力锅炉和大型化工容器等方面均有广泛的应用。和我们日常生活密切相关的城市供水系统，煤气系统更是极为庞大的管道系统。据统计，目前，全球有长达数千万公里的各类在役管道，以北美地区为例，现有的油气管道总长50万公里，仅更换%10的费用就可能达50亿美元。而经济可靠的检测技术可以大幅度减少更换的管道，延长那些虽然已经到服务期限但仍安然无恙的管道的使用期限，可以带来十分可观的经济效益。据统计，热力设备事故中锅炉占60%，其中管道破损事故占锅炉事故的65%，可见，如何防患于未然，搞好管道检测工作已成为当务之急。所以对管网进行在线检测和评估，在其发生事故之前提前预防其损伤，对保证社会生产生活以及保护人民的生命财产具有很大的实际意义。长距离油气管道检测具有特殊性，其检测难点主要在于：检测作业距离长，位置变化大；管道沿线障碍物多，屏蔽多，很多地方无法接触和接近；宏观目视检查受到限制，对在用设备来说，宏观目视检查十分重要，但绝大部分油气管道无法进入其内部，外部又往往被遽蔽，这就难以掌握管道全面情况，获得更多信息。由于上述特殊性和难点，传统检测方法用于长距离油气管道检测显得不能尽如人意受成本和效率的制约，用射线、超声波、磁粉、渗透等方法检测在用管道只能用抽查的方法，这就有可能造成缺陷漏检。长距离油气管道需要适合其特点的检测方法，而超声导波正是这样一种新的无损检测方法和技术。相对于实地的实验，仿真具有实验所没有的优势，实验的成本、周期都要比仿真来的高、长。 仿真可以在实验条件不足的情况下完成相关的研究，降低各种损耗。所以在实验不太方便进行的情况下，仿真是一种不错的选择。二、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）超声导波（UltrasonicGuidedWave）检测技术利用低频扭曲波（TorsinalWave）或纵波（LongitudinalWave）可对管路、管道进行长距离检测，包括对于地下埋管不开挖状态下的长距离检测。超声导波（也称为制导波）的产生机理与薄板中的兰姆波激励机理相类似，也是由于在空间有限的介质内多次往复反射并进一步产生复杂的叠加干涉以及几何弥散形成的。但是对于管道检测，在一般管壁厚度下要产生适当的波型，则需要使用比通常超声波探伤低得多的频率，导波通常使用的频率f100KHz，因此导波对单个缺陷的检出灵敏度与通常使用频率在MHz级别的超声检测相比是比较低的，但是导波检测的优点是能传播2030米长距离而衰减很小，因此可在一个位置固定脉冲回波阵列就可做大范围的检测，特别适合于检测在役管道的内外壁腐蚀以及焊缝的危险性缺陷。低频导波长距离超声检测法用于管道在役状态的快速检测，内外壁腐蚀可一次探测到，也能检出管子断面的平面状缺陷。1、国外研究概况早在20世纪初期，研究者们就发起了对弹性波在不同形状的有界波导中的传播特性的研究。(1)板中的导波 Lamb波是1917年英国力学家H.Lamb按平板自由边界条件求解的波动方程时得到了特殊的波动解而发现的【1】。它是一种在厚度和激励声波波长相同数量级的声波导中(如金属薄板)由纵波和横波合成的一种应力波。在板型结构内传播的导波成为板波，当板的上下界面在力学上自由时，板波就叫Lamb波。它是一种在薄板中由于板的上下界面对的存在，声波在其中不断被反射并相互干涉，最终在厚度方向上形成驻波，而在板的延伸方向形成Lamb波的传播。Lamb波是超声无损检测最常见的一种导波形式。它在不同厚度及不同激励频率下会产生不同的传播模式。它有对称Lamb波和反对称Lamb波两种形式。前者是指薄板中质点的振动对称于板的中心面，上下两面相应质点振动水平分量相同，而垂直分量相反。后者是指质点振动不对称于板的中心面，上下面相应质点振动垂直分量相同，水平分量相反，且在薄板的中心面上，质点以横波形式振动。20世纪40年代末;美国人F.A.Firestone首先将Lamb波应用于薄板检测。几乎与此同时，美国通用电器的D.C.Worlton提出铝和错的频散曲线的模式特征可以应用于材料无损检测【2,3】，D.C.Wolten也于1957年研究了Lamb波与板上的薄层缺陷的相互作用【4,5】，首次讨论和Lamb快速检测缺陷的可能性。J.Rayleigh【6】和H.Lamb研究了备向同性状态下的各向同性板中弹性波的传播，并推导出了该状态下的板的一RayLeigh-Lamb超越方程。俄罗斯科学家Viktorov.LA【7】于1967年研究了表面波和万Limb波的波动机理和基本物理特性厂湃出版了一本关于Raleigh波和Lamb波的专著。突破性的进展是D.F.Ball和D.Shewring在1976年成功的利用Lamb波检测到了薄板中的缺陷。英国学者Alleyne和Cawley【8】不但研究了Lamb波和板中缺陷的相互作用，同时还分析了模态转换现象，提出了模态选择的推荐值和应用超声导波检测的一些技术。 (2)管中的导波 管道的形状较矩形板等复杂很多，导致其频散方程也较为复杂。C.Chree9研究了弹性波在无限长圆柱杆中的传播。A.Love10和J.Rayleigh用板壳理论分析了波在空心圆柱中的传播。Lin等利用板壳理论，建立了Timoshenko模型，推导出波在空心圆柱壳中轴对称传播时频率与波数之间的关系，并对频散方程进行了修正。在1923年，Ghosh11推导出了空心圆柱壳中传播的线弹性解，并进一步得到了两个同轴圆柱体相套结构的频散方程，D. C. Gazis12,13于1959年对圆柱空腔中波在三维方向上的传播做了深入研究。推导了理论模型的两种模态(纵向拉伸波和扭转波)。并通过数值计算，得到恶劣含有许多模态的频散曲线及不同模态的截止频率。他们的研究为管道中导波的传播特性以及导波在工业中的应用奠定了良好的理论基础。1969年N.A.Armenakas14等详细讨论了圆柱壳中的弹性传播理论，进二步深化了Gazis的理论。Silk和Baintqn15运用弹性应力波在介质中传播时遇强间断会出现特定的反射和透射等力学特性，首先实现了在蒸汽管道中激励L(0,1)(管道内部激励导波)和L(0,2)(管道横截面激励导波)模态的超声导波，并开展了相关的裂纹检测实验，证实了超声导波技术对管道损伤检测的可行性和有效性。Brook等16于1990年也证明了轴向导波，即L(0,2)模态对管遣进行检测的可行性。Ditri等17于1992年又进一步提出了导波模态的特征，并指出它们的灵敏性和穿透力，很大程度上取决于模态出现的频率和数量。Alleyne和Lowe等18通过实验证实了纵向导波在70-360Hz的中心频率下群速度最快，频散最小，并对空管道中沿纵向传播导波的三种模态进行利率由内研究和数值计算。Lafleur和Kwun还对充液管道中纵向模态的传播特性进行了理论和实验研究，结果表明，充液管道的频散曲线表现为空管和液体频散曲线的祸合，若充液管内导波在类似于空管以（0,2)的分支模态的部分传播时频散最小，且与空管中导波传播形态相似。Aristegui19随后研究环绕不同液体的充液管道，分析液体粘性因素对管道中导波传播特性的影响。此外，M.Brook20，以及M.J.S.Lowe等21,22人得到了化工管道中柱面Lamb波传播的群速度频散曲线，进而描绘出柱面Lamb波在低频情况下与板波在相应模式上传播特性的相似性，并指明在世纪检测中对单一模式波的选择和激励23。同时他还和D.N.Alleyne等人24对柱面导波在管道上对于圆周凹槽缺陷检测的应用进行了实验研究，确定了导波在管道缺陷检测上的有效性。宾夕法尼亚大学机械工程系的Joseph L.Rose教授以及他的研究小组一直致力于本领域的研究。他提到，在管中，如果其壁厚远远小于管的直径，同时波长远远小于壁厚或者与壁厚相当时，我们可以用lamb波的某些特性近似表征其声场分布，从而在计算空心管道相速度时可以得到简化。2、国内研究现状 国内超声导波技术的研究起步较晚。徐新生、郭杏林25等应用弹性波理论，讨论了应力波在裂纹处的反射和投射规律，从而根据应力波反射时间和强度确定出裂纹的位置和大小，并通过计算和实验表明该理论和模型在测试中是有效的。刘镇清等介绍了板中和圆管导波及其特性，并给出了Lamb波在板厚范围内的振动位移变化和它的激励方法，为该波形在无损检测中的有效应用奠定了基础26,27。徐可北28和刘镇清29还分别用实验方法对Lamb的传播进行了探索。严萍和朱哲民对各向异性板材中的Lamb波传播进行了研究，推导出了各向异性薄板中有对称液层负载时版中Lamb波的传播的对称和反对称方程。周正干、冯海伟综述了超声导波检测技术的研究进展，介绍导波在不同材料和结构中的频散特性及与之相关的理论成果。从导波的结构出发，分析了导波在介质中能量与位移的分布。论述了导波检测技术领域中数值分析方法和信号处理方面的一些新技术。北京工业大学的何存富30,31,32在本领域所做的研究可以说是国内超声导波无损检测的前沿人物，在理论和实验上都给超声导波的应用奠定了坚实的基础。他得安33,34等综合了导波模式在管壁中的位移、应力和总能量密度分布信息，实现了导波中心频率的优化选取，指出了管材内径和壁厚的变化会影响管道中的模式行为。程载斌，王志华，马宏伟等利用ANSYS有限元程序对管道纵波裂纹检测进行了数值模拟，利用脉冲回波法精确地判断裂纹位置和周向长度，但是对裂纹的宽度不敏感。励争等利用周向导波，实现管道内部径向裂纹的损伤检测，并利用LS-DYNA显式算法可以对壳单元进行横向积分的技术特点，模拟了含横向变形的不同深度下径向机械性损伤裂纹的超声导波检测。吴斌和刘增华等就充液管的导波传播特性和缺陷检测进行理论和实验研究，通过对比空管和充液管的导波传播特性的差异，确定了管道缺陷检测的最优模态。三、研究内容及实验方案1.研究内容本课题主要采用ANSYS有限元数值分析模拟软件对无裂纹管道和有裂纹管道进行模拟。ANSYS软件是一个功能十分强大、具有灵活设计和分析及优化处理能力的软件包，融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。该程序基于隐式算法，对模型进行有线元分析，可广泛用于核工业、铁道、石油化工、机械制造等工业。2.研究方案采用ANSYS有限元数值分析模拟软件对无裂纹管道和有裂纹管道进行模拟。1建立实体模型，设置模型参数2. 划分网络以得到有限元模型3. 设定边界条件4. 施加激励以及载荷并进行求解 5. 计算结果进行处理，或者输出四 目标，主要特色及工作进度1. 研究目标本次研究的目标是通过模拟仿真，得到导波在特定模拟条件下的传播规律，让超声导波在管道探伤检验中发挥更大作用。2. 主要特色相对于实地的实验，仿真具有实验所没有的优势，实验的成本、周期都要比仿真来的高、长。 仿真可以在实验条件不足的情况下完成相关的研究，降低各种损耗。3. 工作进度2015.3.092015.3.20 前期资料收集、调研2015.3.212015.4.05 撰写开题报告，开题 2015.4.062015.5. 1 建立模型、开展关于本课题的仿真研究2015.5.062015.6. 1 分析、整理数据，归纳总结2015.6.062015.6.26 撰写毕业论文、准备毕业答辩五参考文献1 H. Lamb. On the waves in an Elastic Plate A. Proceedings of the Royal Society of London C, 1917:293312.2 T. C. Lin, G. W. Morgan. A study of axi一symmetric vibrations of cylindrical shells as affected by rotatory inertia and transverse shearJ.Journal of Applied Mechanics, 1956(78):255261.3 L.Mirsky, G.Herrmann.Axially symmetric motions of thick cylindrical shells J. Journal of Applied Mechanics.1958(80):97102.4 G. Herrmann, L. Mirsky. Three-dimensional and shell一theory analysis of axially symmetric motion of cylinders J. Journal of the Acoustical Society of America, 1957 (78):563568.5 R. M. Cooper, P. M. Naghdi.Propagation of non-axial symmetric waves in elastic cylindrical shells J. Journal of the Acoustical Society of America, 1957 (29):13651373.6 J. Rayleigh. The theory of sound. Vol.I and II M. New York:Dover Publications, 1945.7 M. G. Silk, K. P. Bainton. Propagation in metal tubing of ultrasonic wave modes equivalent to lamb waves J. Ultrasoriics, 1979,- 17(1):1119.8 A. Victorov. Rayleigh and lamb wavesM. Plenum Press, New York, 1967.9 D. Alleyne, P. Cawley. A two-dimentional Fourier Transform method for the measurement of propagating multimode signalsJ.J. Acoust. Soc. Am.，1991，89(3):1159一1168.10 C.Chree. Longitudinal vibrations of a circular barJ. Quarterly Journal of Mathematics. 1886,21:287298.11 A. Love. A treatise on the mathematical theory of elasticityM. New York: Dover Publications.1944.12 J.Ghosh. Longitudinal vibrations of a hollow cylinderJ. Bulletin of the Calcutta Mathematical Society.1923,24(14):3140.13 Denos C. Gazis,.Three-Dimensional investigation of the propagation of waves in hollow circular cylinders. I. Analytical foundationJ. The Journal of the Acoustical Society of America, 1959, 31(5):568573.14 Denos C. Gazis. Three一Dimensional investigation of the propagation of waves in hollow circular cylinders. II. Numerical resultsJ. The Journal of the Acoustical Society of America, 1959, 31(5):573578.15 N. A. Armenakas, D. C. Gazi s.，G. Herrmann. 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