基于Ansys软件的管道超声导波激励特性研究【含CAD图纸优秀毕业课程设计论文】

I 基于 管道导波激励特性研究 摘要 ：超声导波检测技术是一种新兴的无损检测技术 ,由于他的穿透能力强、对人体无害其快速准确、检测范围广、实施方便、检测成本低等优点受到越来越广泛的关注1。它不仅改变了传统无损检测方逐点检测的方式 ,而且解决了有包覆层管道与埋地管道的检测难题 2。 通过分析超声导波在管道中传播时的频散特性 ,本文选择了 L(O,2)模态并用瞬态分析对管道裂纹进行检测 3。本文首先利用 件分别对直管道单裂纹裂纹、双裂纹进行了模拟计算。结果表明 ,超声导波可以清晰、准确的检测出直管道 中的缺陷位置；同时 ,采用实验设备 ,结合仿真模拟中的方案对管道中的缺陷进行了检测。通过实验结果与模拟结果的比对来进一步修正和完善模拟方案 ,为声导波的实际检测应用奠定基础。 关键词 :超声导波；管道裂纹； 件；仿真模拟 购买设计文档后加 费领取图纸 购买设计文档后加 费领取图纸 is a of a of to It DT a to By of in as an in be of of in to of 购买设计文档后加 费领取图纸 第 共 录 1 绪论 . 1 题的目的和意义 . 1 2 直管道裂纹检测的数值模拟 . 1 处理 . 2 立几何模型 . 2 立 1 个裂纹 . 3 型的网格划分 . 4 载约束 . 7 解 . 17 移幅值分布图 . 18 裂纹的轴向定位 . 25 3 总结 . 28 4 展望 . 28 参考文献 . 29 致谢 . 31 购买设计文档后加 费领取图纸 1 1 绪论 课题的目的和意义 管道作为五大运输工具之一，在流动介质（如石油、天然气、煤气。蒸汽、泥浆）的运输方面具有特殊优势，尤其在石油、天然气、核电等产业中发挥着重要作用。具有连续性、低成本、高运力的优点常常工作在比较特殊或极其恶劣的环境中 ,经过一定时间的运行后 ,会出现锈蚀、腐蚀、裂纹等缺陷 力不断增 大的情况下，管内压力的作用很容易使其发生快速扩展，造成管壁开裂，引发恶性事故 4。尤其近年来管道事故频频发生，所以管道的安全问题值得人去思考。 随着石油、核电、天然气等产业的发展，压力管道运行总长度的增加，服役时间的延长，压力已接近、甚至超过了其使用寿命，这也就意味着管道事故的发生率在增加。与此同时，管道的各种缺陷也慢慢的暴露出来了。其缺陷主要有三大类：腐蚀缺陷、焊接缺陷和机械破坏。并且这些问题都会进一步导致管道破裂。管道的破裂是石油、化工等行业中经常面临的一个重要问题。 综上所述，管道系统的缺陷会导致环 境污染和设备损坏，很有必要 研究管道缺陷导波检测 管路中的传播进行动态分析，以揭示其变化规律， 研究其危害的措施， 确保系统安全、可靠运行。 2 直管道 裂纹 检测的数值模拟 管道中的裂纹相当于被动超声导波源 ,当超声导波在管道中传播时遇到裂纹时往往会发生反射、折射及透射等现象。当管道中存在多个裂纹时 ,往往会由于各个缺陷的回波之间的相互干扰 ,对检测结果造成一定的困难。因此 ,本章针对管道实际工况中比较常见的裂纹 ,首先在直管道模型中建立了一个周向裂纹 ,在能够对其位置进行精准定位的基础上 ,分析所获得的裂纹回波信号的特征。在对 单裂纹缺陷进行一定研宄的前提下 ,在管道上的不同位置设置双裂纹 ,探宄超声导波在管道中传播时遇到双裂纹时的传播特性 ,进而为双裂纹的检测奠定基础。借助 限元软件进行超声导波检测各种管道里的有问题部分 ,然后采集并且分析安装在管道端点部位的监测点收到的波的返回信号 ,着重分析其特殊性。 购买设计文档后加 费领取图纸 2 前处理 管长度 管外径 壁厚 材料为钢管，其密度为 103Kg/弹性模量为 1011 裂纹中心距端面距离为 纹宽度为 纹起始角度为 60 、裂纹终止角度为 120 ； 单元类型为 网格长度为 激励信号为中心频率 100000 10 周期加汉宁窗调制的正弦波； 波的传输时间为 。 建立几何模型 建 立局部坐标 1（ 0,0,0）， 2（ ,0 ）， 3 (, ,4（ 0,0, 。 连接点 1,4 和点 2,3；将线 14,23绕其中间的一条线相互旋转一周得到管道的二维模型。 购买设计文档后加 费领取图纸 3 图 道的二维模型 建立 1 个 裂纹 在管道与端面距离为 裂纹起始角度为 60 、裂纹终止角度为 120 建 立的裂纹长度为 购买设计文档后加 费领取图纸 4 图 道缺陷的建立 模型的网格划分 （ 1）网格尺寸进行控制（控制网格密度）。划分前保存几何模型，保存划分后的数据。（ 2）单元控制方式： z 能网格划分。 z 体单元尺寸控制 z 对网格进行细化：在较关键的区域细化，不清除已划好的网格。 选中关键线段，分别用不同颜色线条将其分为三部分，网格长度 3则轴向 48个点， 管道长画 400 个均匀网格，在均匀划分的基础上在中间位置对其网格进行细画。 购买设计文档后加 费领取图纸 5 图 道线段选取 图 道线段选取的端面图 购买设计文档后加 费领取图纸 6 图 管道的网格划分 图 格划分缺陷部位放大图 购买设计文档后加 费领取图纸 7 加载约束 任何实际的结构都会受到一定的约束条件来保持其稳定性。因此给模型施加合适的约束条件是进行有限元分析的一个重要步骤。 对管道端面施加 调试 的正弦波。 本次论文的目的是研究不同数量的载荷对管道的超声导波激励特性的影响，所以，我们在一端加载载荷是首先从一个载荷开始。 购买设计文档后加 费领取图纸 8 图 个约束加载位置 激励加载 完成后就需要在接收节点处将信号数据提取出来保存 ,以进一步进行处理。接收节点位置位于导 波激发节点相邻的一圈管道外表面的节点。对于直管道 ,本文选择的是自激自收的接收方式并将各节点数据相加取平均后得到的波形数据作为最终的波形信号。在该信号中 ,将由于因为缺陷的存在而产生的缺陷回波信号的最值提取出来用作分 祈 缺陷的轴向定位以及程度识别只用。然后把提取出的数据进行 次插值处理 ,画出相应的趋势图。 购买设计文档后加 费领取图纸 9 图 形趋势图 由图可以看出，我们选取的两个峰值波是发出的信号与回波信号在管壁中的波形图，但是在两个峰值波之间还存在其他的波段，这是由于加载的正弦波不仅仅是在管壁中轴向传播，它是向着四面八 方的，有一部分波会碰到管道内壁，反射后被接收器接收到，并且由超声波在空气中传播的损耗大于在金属中的，所以波形会非常小。 本次论文的目的是研究不同数量的载荷对管道的超声导波激励特性的影响，并且为了消除在管壁之外传播的波的影响，我们采用对称位置加载载荷，为的是可以让正弦波抵消在其它方向的波的影响。所以，我们在管道一端对称的位置加载 4 个载荷。 购买设计文档后加 费领取图纸 10 图 对称 4 个载荷位置 购买设计文档后加 费领取图纸 11 图 波形趋势图 由我们接收到的波形图可以明显的看出，在两个波峰之间存在的波段较之一个载荷时有明显的减弱趋于平稳的变化。之 后我们还是在管道一端对称的位置加载 16 个载荷。 购买设计文档后加 费领取图纸 12 图 对称 16 载荷位置 购买设计文档后加 费领取图纸 13 图 波形趋势图 对称位置加载 24 个载荷，如图 购买设计文档后加 费领取图纸 14 图 对称 24 载荷位置 购买设计文档后加 费领取图纸 15 图 形趋势图 对称位置加载 48 个载荷，如图 购买设计文档后加 费领取图纸 16 图 称 48 载荷位置 购买设计文档后加 费领取图纸 17 图 形趋势图 求解 任何实际的结构都会受到一定的约束条件来保持其稳定性。因此给模型施加合适的约束条件是进行有限元分析的一个重要步骤。 当导波检测管道缺陷的模型建立好后 ,就交由 完成计算 ,完成后 就需要在接收节点处将信号数据提取出来保存 ,以进一步进行处理。接收节点位置位于导波激发节点相邻的一圈管道外表面的节点。对于直管道 ,本文选择的是自激自收的接收方式并将各节点数据相加取平均后得到的波形数据作为最终的波形信号。在该信号中 ,将由于因为缺陷的存在而产生的缺陷回波信号的最值提取出来用作分 祈 缺陷的轴向定位以及程度识别只用。然后把提取出的数据进行 次插值处理 ,画出相应的趋势图。 购买设计文档后加 费领取图纸 18 位移幅值 分布图 图 移幅值分布图 励导波在 含 裂纹管道中的传播 单裂纹不同时刻位移导波 传播示意图 : 购买设计文档后加 费领取图纸 19 10500 购买设计文档后加 费领取图纸 20 10584 s 购买设计文档后加 费领取图纸 21 购买设计文档后加 费领取图纸 22 图 移幅值对比图 其中 : （ a）当 时管道模型左端激励的位移波群； （ b）当 期间位移波群向右传播； （ c）当 时波群遇到裂纹发生交汇作用 ,产生反射、透射及模式 购买设计文档后加 费领取图纸 23 转换； （ d）当 期间 位移波群在裂纹处分解成反射波和透射波 ,分别向两个方向传播； （ e）当 期间管道中全部的波整个往右边传播，其中一些被反射的波往左传播，还有一些投射过去 的波往右传播； （ f）当 时波群遇到端面发生交汇作用 ,开始产生全反射及模式转换； （ g）当 07 4 2 6 07 0 6 6 期间位移波群在端面处分产生反射波 ,向左边方向传播； （ h）当 期间位移波群向左传播。 散曲线 管道中的导波可以分为纵向、切向以及弯曲导波等多种模态 , 用线弹性理论提出了谐波在无限长中空管道中传播的频散方程 5: 066 式中 :径尺寸； 、 为材料的 数； 为密度 ; 为频率； 用数值方法对此行列式方程进行求解，可得到频率与相速度、群速度之间的关系 ,即频散曲线。 图 给出了本文实验中所用的直径为 壁厚为 钢管的群速度频散曲线 31 ，纵向 2,轴对称模态 20，L 和弯曲模态 2,21 组成。当 0M 时， 2,示纵向模态，当 0M 时， 2,示弯曲模态。所选钢管弹性模量为 ，材料密度为 3/932.7 松比为 购买设计文档后加 费领取图纸 24 图 管群速度频散曲线 根据上述分析 ,可得出如下结论 : （ 1） 选用一定数目、 调制的叠加音频信号作为管道端部激励可显著减小圆管道中导波频散现象的影响，使裂纹回波信号容易识别 6。本文数值模拟时选用 10个音频信号叠加作为激励信号，从结果来看 ,频散影响非常小； （ 2） 根据提出的导波检测公式及数值模拟的位移时程曲线，对单节点位移时程曲线进行简单叠加，由公式 2 较为精确地确定单裂纹的位置。计算中发现反射波返回的时间与裂纹大小无关，而与裂纹位置和材料参数有关； （ 3） 对位移时程曲线进行频谱分析 ,可观察到裂纹个数不同以及裂纹尺寸不同时频谱有明显得变化 ,对此应进行进一步的研究。 购买设计文档后加 费领取图纸 25 单裂纹的轴向定位 0 100 200 300 400 500 600 700 800- 1 00102030405060T i m e ( s)m)图 向裂纹检测回波信号各点时域图 0 100 200 300 400 500 600 700 800- 5 0 0- 4 0 0- 3 0 0- 2 0 0- 1 0 00100200300400500X : 5 2 . 8 1Y : 4 6 8T i m e ( s)m)图 向裂纹检测回波信号图 上图 别是管道带圆心角 60周向裂纹的超声导波信号。观察图形可以发现 , 购买设计文档后加 费领取图纸 26 经过管道中的传播过程 ,超声导波能量具有一定程度 的衰减 ,致使端面回波信号的幅值小于激励波的幅值。当管道中存在裂纹 ,在换能器阵列所接收到的时域图中可以清晰的发现裂纹回波信号。 裂纹的位置定位主要通过公式 2 决定。模拟过程中 ,在对裂纹进行轴向定位时 ,需首先通过计算得到超声导波传播的速度。因为管道模型总长为 此超声导波在一个传播过程的总程长 察上图 结果数据中提取出入射波的到来时刻为 s,而反射波的到来时刻为 s,因此通过计算可得模拟过程中的传播速度约为 s。 0 100 200 300 400 500 600 700 800- 5 0 0- 4 0 0- 3 0 0- 2 0 0- 1 0 00100200300400500X : 2 7 0 . 1Y : 4 0 . 1 5T i m e ( s)m)图 向裂纹检测回波信号图 裂纹位置： 61 观察图 其结果数据中提取出入射波与裂纹回波的到达时刻分别为 S 购买设计文档后加 费领取图纸 27 及 S。因此 ,计算可得 ,裂纹的轴向位置在管道的 在模拟过程中，裂纹的实际位置位于管道中心 。因此，用超声导波法检测的裂纹的轴向位置与实际位置之间的误差为 2%。结果显示，用超声导波法可以较为准确的判断出裂纹在管道中的轴向位置。 0 100 200 300 400 500 600 700 800- 5 0 0- 4 0 0- 3 0 0- 2 0 0- 1 0 00100200300400500X : 5 0 1 . 7Y : 1 5 2 . 5T i m e ( s)m)图 向裂纹检测回波信号图 端面回波长度 ： 62 观察图 及 。因此 ,计算可得 ,裂纹的轴向位置在管道的 而在模拟过程中，裂纹的实际位置位于管道中心 。因此，用超声导波法检测的裂纹的轴向位置与实际位置之间的误差为 %结果显示，用超声导波法可以较为准确的判断出 购买设计文档后加 费领取图纸 28 裂纹在管道中的轴向位置。 本文以管道为研究对象，对其建立了三维模型，并进行了动态态分析和模态分析，得出如下结论 : 对有限元的原理进行了分析，了解并掌握了管道不同部位的缺陷导波激励特性的变化，使用有限元软件 立了直管道中的无缺陷模型、单缺陷模型、双缺陷模型，模拟研 究管道缺陷导波检测，对其进行了动力学分析，得到其具体的受力情况，通过数值模拟研究采用超声导波进行管道缺陷检测时，并对其进行计算 ,得到仿真模拟的结果。 结果表明 ,借助 然后采集并且分析安装在管道端点部位的监测点收到的波的返回信号，可以准确的找到管子中单个缺陷的在轴向上的位置，以及管中导波激励特性的影响因素，为缺陷轴向定位研究提供理论指导。 这次毕业论文的完成过程中遇到了太多的困难，如果没有导师和同学们的帮助我无法这么准确和快速的完成， 这说明我本人的学识水平和自身能力还是有限的，这致使我对论文所研究的对象分析与研究无法深入。我这次的设计研究对象是直管道，我也只是对直管道进行了有限元的分析，而没有对弯管道和其他的特殊管道进行研究，另外对管道上的缺陷也是只进行了一种缺陷的波形分析，现实情况下还有很多的我所不知道的缺陷，而这些缺陷我都没有研究到。所以我希望今后我无论在做什么事情上一定要仔细深入的专研，千万不要只停留在浅显的表面。 购买设计文档后加 费领取图纸 29 参 考 文 献 1 J. of a of 1923, 24(14): 3140。 2 N. A. D. C. G. of 1969 。 3 J. J. J. L. of in by J. 1992, 72(7): 25892597 4 焦敬品 ,吴斌 ,王秀彦 ,等 J。实验力学 ,2002,5,17(1):1 一 9。 5 何存富 ,吴斌 ,范晋伟 J。力学进展 ,2001,31(2):203 一 214。 6 他得安 ,刘镇清 ,田光春 J。声学技术 ,2000,20(3):131 一 134。 7 何存富 ,李隆涛 ,吴斌 J。实验力学 ,2002,17(4):419 一 424。 8 程载斌 ,王志华 ,马宏伟 J。太原理工大学学报 ,2003,34(4):426 一 431。 9 程