管道焊缝缺陷超声导波检测仿真研究

XX大学毕业设计（论文）题 目： 管道焊缝缺陷超声导波检测仿真研究 学 院： 测试与光电工程学院专业名称： 测控技术与仪器班级学号： 学生姓名： 指导教师： 二Oxx 年 六月 管道焊缝超声导波检测仿真研究摘要：管道对现代化文明建设越来越重要，工业生产中有管道，城市现代化建设也有管道，然而在每年维修和更换可能损坏的管道，由于现有检测手段的不精确，导致了很多原本能继续使用的管道被遗弃，所以急需一种有效的检测手段。而超声导波检测正是一种这样有效的检测技术，导波的研究从20世纪早期到现在已经建立了一套完善的理论体系，引用这套理论体系可以使用导波对管道缺陷进行检测。研究采用了ANSYS仿真模拟的手法来研究导波对管道的检测，分别建立了T（0,1）模态导波对纵向裂纹检测、L（0,2）模态对周向缺陷检测的模型。采用MATLAB对每一个仿真实例数据进行分析，以缺陷长度为自变量，回波信号幅值/始波幅值为因变量得到了缺陷对两种模态的反射系数曲线。其中纵向裂纹对T（0,1）模态导波的反射系数在缺陷与波长比值30%是呈线性增长模式，随后保持不变，在比值达到50%时反射系数取得极小值，随后增长到80%得到极大值，继而衰减。而周向裂纹对L（0,2）模态的导波的反射系数曲线呈线性关系。所得到的这两条反射系数曲线，可为实际检测中的信号处理和裂纹定量分析提供理论数据。关键词： 管道，导波，ANSYS，裂纹Simulation of ultrasonic guided wave detection in pipeline weldingAbstract:Pipeline of modern civilization construction is more and more important, industrial production pipeline, urban modernization or even pipeline. However, in the annual maintenance and replacement may damage the pipeline, due to the inaccuracy of the existing detection methods, resulting in the many originally can continue to use the pipeline was abandoned. Therefore, it is urgent for effective detection means. While the ultrasonic guided wave detection is a kind of such effective detection technology, guided wave research from the 20th century early to now has established a set of perfect theory system, citing this theory system can use guided wave detection of pipeline defects. On the ANSYS simulation approach to study the guided wave in pipeline detection, are established on the basis of the T (0,1) mode guided waves of longitudinal crack detection, l (0,2) mode of circumferential defect detection model. Using MATLAB to analyze a simulation instance data and to defect length as the independent variable, the echo signal amplitude and amplitude of the initial wave as dependent variable the defects of two kinds of mode of reflection coefficient curve. Which longitudinal crack of the reflection coefficient of a t (0, 1) mode guided wave defect and wavelength ratio lower than 30% is a linear growth model, then kept invariable, the ratio reached 50% in reflection coefficient to obtain the minimum value subsequently increased to 80% to get maximum value, and then decay. And the circumferential crack has linear relationship with the reflection coefficient curve of the guided wave of L (0,2) mode. The obtained two reflection coefficient curves can provide the theoretical data for the signal processing and the crack quantitative analysis in the actual detection.Keyword：pipeline，Guided wave，ANSYS，Crack目 录1 绪论1.1 课题研究背景及意义11.2 超声导波国内外研究现状12 导波检测基本理论2.1 超声导波基本概念32.2 超声导波的群速度和相速度32.3 频散42.4 模态选择52.5本章小结63 管道导波检测的数值模拟3.1 有限元方法及ANSYS软件的简单介绍73.2 ANSYS分析的基本过程73.3 缺陷的生成83.4 单元格的选择93.5 数值模拟参数确定124 数值模拟实例4.1 预定义参数144.2 建立模型144.3 网格划分164.4 加载、求解、后处理174.5 模拟结果175 不同参数对回波信号的影响5.1激励信号周期对回波信号的影响195.2求解时间步长对回波信号的影响205.3缺陷长度对回波信号的影响216 总结27参考文献28致谢29管道焊缝超声导波检测仿真研究1 绪论1.1 课题研究背景及意义管道运输作为五大运输方式之一，是巨大的能源运输工具。管道运输的方式完全颠覆了传统的运输概念。广泛的应用在石油、天然气等运输中，同时在城市的给、排水，能源系统中也广泛应用。但管道在服役过程中，其工作环境是十分恶劣的，在长期服役中容易形成腐蚀缺陷、疲劳损坏导致管道泄露，造成漏油、火灾等严重事故，不仅会造成巨大的经济损失，对自然环境也会产生不可逆的破坏，严重时对人的生命安全造成巨大的威胁。因此我国每年用于各种油气管道的维持费用高达数亿元，但是由于检测过程中有时不能对管道损伤情况做出正确的判断，导致那些仍然可以正常使用的管道被破坏、造成了人力、物力、财力的巨大浪费。所以，目前急需积极寻求一种检测效率高，检测结果更为准确的管道检测技术。从理论上讲，漏磁、涡流、超声波、射线等方法都能实现对裂纹的检测，但在实际中，它们对管道裂纹的检测能力都存在明显的不足。这些检测方法都沿管道，检测速度缓慢；其次绝大多数的管道由于工作环境的恶劣，都会有外包的保护层，要应用上述检测方法需要将保护层剥开，这无疑增加了检测的成本和时间。因此这些技术在长距离管道的检测上检测耗时长，检测效率低。而超声导波在管道中传播的距离远，且波形能够保持较完整的状态,在检测过程中无需过多的预处理。将接收换能器放置在管道另一端，即可实现两侧之间管道的全面检测，克服了其他检测手法需要逐点扫描的缺点。而且带外包层的管道不影响超声导波的传播，除安放探头的位置外，无需清除大面积涂层，大大降低了检测的时间和费用。综上所述，可以利用超声导波实现成本较低，长距离的管道缺陷检测。本文主要研究导波对管道缺陷检测的仿真，研究了导波在管道中的传播规律，选择了了合适模态的导波，建立了T模态和L模态的检测模型。1.2 超声导波国内外研究现状超声导波（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,对于导波的研究可以追朔到上世纪早期。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,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1。20世纪40年代末；美国通用电器的D.C.Worlton提出铝和锆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，首次讨论和Lamb快速检测缺陷的可能性4,5。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6。管中导波：管道的几何结构比平板复杂很多，所以它的频散方程也会比平板更复杂。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7。D. C. Gazis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8。而国内相关的研究进行的比较晚，徐新生、郭杏林等应用弹性波理论，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9。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10,11。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。他得安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12。2 导波检测基本理论2.1 超声导波基本概念在无限均匀固体中自由传播的波称为体波。体波由两种最基本的波组成，纵波、横波。它们各自以自身的特征速度无耦合的传播。当介质为上下表面为无限延伸的平面时，体波在其中传播时体波将沿上下表面不断的反射，沿着介质的方向进行传播，这就形成了板中的超声导波称为lamb波，如图2.1。图2.1 板中体波的传播从上图可以看出平板可以作为一种波导使体波在其内传播。除了平板之外，空心圆柱体、棒状、以及层结构的介质都是非常典型的波导。这些波导的共同特性都是存在两个或两个以上的平行界面。当超声波在这些波导中传播都会像在板中传播一样，在上下表面来回反射导致模态转换，在波导中传播的超声波称为超声导波。2.2 超声导波的群速度和相速度在超导波的理论中有两个基本的概念来表征导波的特征，它们是群速度、相速度。群速度是指脉冲波中振幅最大的点的传播速度，它表征的是一个波群能量的在传播方向的传播速度。相速度是指脉冲波上相位固定的一点在传播方向的传播速度。两者之间的关系如下图2.2所示，波形a为探头第一次测得的导波波形，波形b为探头向后移动距离所接收到的波形图。从图上可以我们可以看出，从最大的振幅可以看出移动距离经过了的时间，a、b波形中等相位点所相差的时间为。假设群速度为，相速度为，声波频率为，则有以下公式： （2-1） （2-2）群速度和相速度有如下的关系： （2-3）式中：-为导波的频率为波导的厚度当波导材料为板时, 就是板的厚度；空心的圆柱体，为管子壁厚。当=时对应的导波没有频散。图2.2 群速度与相速度2.3 频散当超声波在板子、管道、杆子等波导中传播时，导波在其中的传播受到了波导几何尺寸的限制，导波的传播速度随其频率发生改变， 导致了超声波的几何弥散，简单的来说就是超声导波的相速度和群速度在波导中传播随着频率的变化而变化，这种现象称为“频散现象”。图2.3 管道中导波的频散曲线上图2.3为利用PCDISP软件13得到的管道中传播的超声导波群速度和相速度的频散曲线。由于完整的频散曲线较为繁杂，这里只截取了L波，T波，以及一阶F波的频散曲线。从图中可以看出:不同的频率下都存在了不止一种模态的导波，导波模态数量随着频率的增加而增加。我们希望在检测中只产生一种模态的波出现，这样方便分析检测得到的回波信号。但在实际检测中导波脉冲是由多个不同频率的谐波合成的，由于频散现象，波包将会扩散开来，信号幅度衰减，分辨率也减小。为了保持波包形态不变，需要选择频散较小模态的波，因此选择合理的模态对于检测结果的可靠性是十分重要的。2.4 模态选择从图2.3可以看出，在相速度的频散曲线中L(0,2)模态的导波从100KHZ190KHZ的曲线较为平坦，可以认为是非频散的，且在这一频率范围内其群速度达到最大值，波形在传播过程中基本保持不变；L(0,1)模态的导波在0-200KHZ频率范围内波速变化都较大，在整个求解频率内都有频散，其随着L(0,2)一起出现，声速随频率变化很大，会对检测结果产生干扰，因此在检测过程中要设法消除。而扭转模态T（0,1）波在求解范围内频散曲线为一直线，无频散现象，且在这一频率范围内不存在其他扭转模态的波，所以在这一频率内可以激发出单一的T（0,1）波用于实际检测。下图2.4是在125Khz频率的L(0,1)、L(0,2)、以及在35Khz的T(0,1) 的波结构图。 (a) L(0,1) 125Khz (b)L(0,2) 125Khz(C) T(0,1) 35Khz图2.4 三种模态波结构图从上图可以看出L模态的导波在周向位移为0，也就是角位移为0。L模态的质点的位移集中在纵向和径向。其中L(0,1)模态的质点以径向位移为主，且随管径近视均匀变化，而纵向位移变化太大，而且有正也有负，从这里可以认为改模态导波在壁厚方向上分布不均匀，不适合用于检测中。L（0,2）模态的导波以纵向位移为主，且分布均匀，它的径向位移较小，分布情况近视均匀，所以L(0,2)模态的导波在壁厚方向上分布比较均匀可以用于检测中。T（0,1）模态的导波只有在壁厚方向均匀分布的周向位移，也可以用于实际的检测中去。2.5本章小结本章介绍了超声导波的基本概念，导波的产生、群速度和相速度、以及导波的频散现象。根据导波在0-200Khz的频散曲线以及3种模态在不同频率下的波结构图，选择了频散较小和分布均匀的L(0,2)和T（0,1）作为检测的模态。3 管道导波检测的数值模拟3.1 有限元方法及ANSYS软件的简单介绍目前常用的数值仿真的方法有：有限元方法、边界元法、有限差分法、半解析有限元法。应用的最为广泛的要数有限元分析方法，其次为边界元法。有限元方法的概念：将一个表示结构或连续体的求解域离散成为若干个子域，并通过它们边界上的结点互相连结成为组合体，用每个单元内所假设的近似函数来分片的表示全求解域内待求的未知场变量；而每个单元内的近似函数由未知场函数（或其导数）在单元各个结点上的数值和与其对应的插值函数来表达，通过和原问题的数学模型（基本方程、边界条件）等效的变分原理或加权余量法，建立求解基本未知量（场函数的结点值）的代数方程或常微分方程，即有限元求解方程，表示为规范化的矩阵形式，用数值方法求解此方程，从而得到问题的解答14。有限元分析方法已经具备了成熟的计算模式，利用有限元法对实际问题进行数值模拟得到的计算结果已经称为许多企业产品设计和性能分析的可靠依据。ANSYS就是由美国ANSYS公司开发的一款强大的大型通用有限元分析软件，其多样的分析类型、强大的建模功能、智能的网格划分、简单的操作使之成为国际最流行的有限元分析软件。能和大多数的CAD软件无缝连接比如：AutoCAD,Pro/E,UG,SolidWorks等，实现数据的共享交换。能够对结构力学，流体力学，磁场，电场，声场进行分析。在航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、运动器械等领域有着广泛的运用。本文采用ANSYS对无裂纹和含有裂纹的管道进行模拟。3.2 ANSYS分析的基本过程ANSYS主要有三个模块组成：前处理模块、计算求解模块、后处理模块。前处理：定义材料属性，选择单元类型，建模，网格划分，确定边界条件。求解模块：设定载荷类型，施加约束，求解时间/步数，设定求解步长，施加载荷。后处理：主要是对求解数据的提取，将计算的结果图形化和列表化，进行各种后续的分析。具体到本课题的有限元数值仿真模拟的流程图如下图3.1：设定材料参数及单元格类型时间历程后处理加载求解确定约束、载荷网格划分网格划分确定缺陷参数是否含有缺陷设定管道参数图3.1 仿真检测流程图3.3 缺陷的生成在前处理过程中，要先确定管道的材料参数和几何参数，然后分别建立有缺陷和无缺陷的模型，在管道上建立缺陷有三种方法15：第一种是先建立一个无缺陷的管道，对管道进行网格划分，然后再使用EKILL命令将有缺陷位置的单元“杀死”对于“死”单元，程序通过一个很小的系数即缩减因子乘以它们的刚度，在载荷矢量中，和这些“死”单元相联系的单元载荷也被设置为零，并约束所有不活动节点的自由度，从而使单元从模型上“脱离”，这种方法的优点是简单易用、容易操作，但是也有一定的缺点，由于在ANSYS中，涉及到单元生死问题都要启动非线性计算、牛顿拉夫森选项，从而导致无法控制计算时间，甚至会发生计算不收敛，故一般不采用此种方法。另一种方法是直接建立一个带有缺陷的管道模型，然后进行网格划分。最后一种方法是首先建立一部分正常的管道，然后在含有缺陷的管道附近留下一个规则区域，然后在预留部分添加单元，添加单元后剩余的部分即是缺陷。第一种方法会产生非线性，第二、三种方法不会产生非线性计算的问题，但是第二种方法会产生畸形的单元格，造成不同密度的网格，网格划分起来较为困难。选择第三种方法不会产生非线性问题同时划分出的网格也很均匀。ANSYS软件提供了两种模型建立的方式：一种是通过GUI界面建立模型；另外一种是使用ANSYS的参数化程序设计语言APDL。使用第一种建模方法在建立简单模型时，显得十分的直观，但如果在模拟的过程中需要不断的修改模型的尺寸，这种手动的建模方式就显得不方便了，如果使用APDL的话先定义好后面建模、网格划分、施加载荷所需要用到的各种参数作为变量，只需在程序开始的时候修改这些变量值就对全局进行了修改，大大节省了仿真的时间，提高了工作效率。本次研究中需要经常修改模型的尺寸，所以选择APDL进行模型的建立。3.4 单元格的选择根据建模时对管道模型单元格的简化，可选择的单元格类型可以分为三种：平面单元PLANE、壳单元SHELL、实体单元SOLID。三种单元格类型对管道模型进行了不同的简化，简化后的效果决定了模型的复杂程度和有效性。PLANE42是一种平面单元，下图3.2是PLAN42单元的几何示意图。如图是KEYOPT(1)=1选项下的示意图，可以看到该单元具有四个节点，每个节点有两个方向的自由度，X和Y方向，PLANE单元退化后是三角形。由于它自由度的关系对它只能施加拉压载荷。虽然PLANE是二维的单元，但是在实际建模的时候可以用轴对称的算法，将模型按照三维来计算。但是又由于轴对称的算法，只能建立轴对称的缺陷，比如环形的缺陷。图3.2 PLANE42几何示意图SHELL63与PLANE类似也是一个四边形的单元，但是除了PLANE的四个节点外，SHELL63还有一个定义厚度的实常数，单元退化后也是一个三角形。每个节点有12个自由度，分别是在X,Y,Z三个方向上的位移，速度，加速度，和转动这四种自由度。下图3.3为SHELL63单元的几何示意图。从自由度上看，不仅可以对它施加拉压载荷，还可以施加力矩。采用SHELL63单元来建模，实际是把管子的壁厚只看成单层的。SHELL单元可以模拟出L，T，F三种波在管道中的传播，但是对于管道上的缺陷因为壁厚是单层的所以只能模拟在壁厚上穿孔的缺陷。SHELL单元将壁厚看作单层的，导致模型在径向上只有一个节点，对波结构在径向位移上变化较大的波不适合使用。图3.3 SHELL63几何示意图SOLID45是一种实体单元，与上面两种单元四边形的几何模型所不同，SOLID的几何单元模型是一个六面体的三维单元。如图3.4所示，SOLID单元有8个节点，每个节点有X，Y，Z方向的位移自由度。可以对它施加拉压、剪切力载荷，在这三个单元类型中只有SOLID是最接近真实结构受力的单元。相对于PLANE平面的简化、SHELL在壁厚上单层的简化，SOLID实体单元在建模时基本没有什么简化，这样得到的模拟结果也将最接近真实情况。图 3.4 SOLID45单元几何示意图从各种不同的单元中选择合适的类型的依据是：该单元能否模拟出仿真过程中所需要的导波模态、能否模拟出所需要的缺陷类型。能否模拟出所需要的波形，主要取决于单元在x,y,z上个方向的自由度能否满足对应模态的质点位移模式。前面讲到的波结构为选择提供了依据。如L模态的波主要是径向的位移和纵向位移，其中L(0,1)模态以径向位移为主，且伴随着在壁厚上分布不均匀的纵向位移，所以L(0,1)模态不适合在SHELL单元上模拟，适合在平面单元上模拟。而L(0,2)模态以纵向位移为主，伴随着在壁厚方向上分布均匀且小的径向位移所以较适合在SHELL单元上模拟。T波也能在SHELL单元上模拟，但本次研究中还要对非通透性的缺陷进行研究，因此，本次研究选用的单元格为SOLID45单元。3.5 数值模拟参数确定管道材料参数如下表3.5：表3.5 管道参数密度弹性模量泊松比7800kg/m32.11x10110.29缺陷管道几何参数如下图3.5所示：激励端接收端L1L2图 3.5管道及缺陷几何参数如图所示，整个管道长为，激励从右端开始加载，激励端到缺陷开始位置的距离为，缺陷起始处到管道末端的长度为。图中激励端和接收端都在右端，激励端为端面位置，接收端为距激励端一个单元长度的面中的所有节点。假设激励频率为、有限元长度为、求解时间步长。当他们满足以下两个式子时，求解的结果会较为精确。 （3-1） （3-2）式中：相速度群速度为在下相速度最慢的导波的波长。管道总长度和激励加载时间要满足以下式子： （3-3） （3-4） （3-5） （3-6）式中：为激励加载总时间为脉冲激励信号的加载的时间为初始信号的加载时间为群速度式（3-4）求得的是导波到达缺陷处并反射到激励端所需的最大时间，总的激励时间需大于这个时间才能保证在求解时间内最少得到一次缺陷回波。式（3-5）可以保证最快接收到的缺陷回波和激励信号分开。式（3-6）保证了最快模态的端部回波与最慢模态的缺陷回波区分开来。根据这些式子可以确定出数值模拟时所用到的参数表3.6：表3.6数值模拟各项参数参数项周向裂纹纵向裂纹导波模态L（0，2）T（0,1）激励频率125Khz32.38Khz管道长度1.2m1.2m周向单元格长度2mm10mm周向划分份数24份60份时间步长0.27us2us激励时间0.62532ms1.101ms4 数值模拟实例4.1 预定义参数因为选择的是APDL语言，所以先定义接下来所有需要用到的变量。便于后面研究某一单一变量对仿真结果的影响。本次程序中总共定义了如下参数表4.1：表4.1变量表变量名注释值变量名注释值f激励频率32.38KhzPI（反正弦计算）2*ASIN(1)nl_crack缺陷长占轴向单元数自变量nv1周向划分份数60、24nc_crack缺陷宽占周向单元数自变量Letheta每个单元的角度数360/nv1nr_crack缺陷深度占壁厚的比例自变量nr径向划分1Ri内径47mmtheta缺陷周向角度nc_crack*LethetaRo外径51mmt1总的计算时间1.1e-3+deltH壁厚4mmnsin正选激励周期数6L3缺陷到管道末端距离750mmdelt时间步长2e-6L1缺陷起始位置450mmLe轴向单元长10mmL2缺陷结束位置L1+lcrackT0周期1/fL管道长度1200mmTSIN正弦载荷激励时间nsin*T0+deltlcrack缺陷长度nl_crack*LeNsub总的载荷步数nint(t1-delt)/delt)+1thick缺陷深度nr_crack*HN1正弦载荷步数nint(nsin*T0/delt)rthick缺陷深度处半径Ro-thicka激励信号幅值2e-64.2 建立模型由于是APDL参数化建模，并无详细的GUI操作，所以这里给出建模的部分命令流及效果。定义单元类型及材料参数：et,1,45 ！定义单元格为45号单元格 mp,ex,1,2.1e11 !弹性模量 2.1*1011mp,nuxy,1,0.28 !泊松比0.28mp,dense,1,7800 !密度7800kg/m3建立模型部分：首先建立没有缺陷的管道：1、管道右端到缺陷开始位置的L1长度的管道；2、建立缺陷结束位置到管道末端的L3长度的管道。CYL4,0,0,Ri,0,Ro,180,L1 !建立L1长度上半部分管道WPOFFS,0,0,L2 !平移坐标系到缺陷结束处CYL4,0,0,Ri,0,Ro,180,l3-lcrack !建立缺陷末端到管道末端的管道图4.1 完整管道上半模型上图4.1为目前的效果图，从图中可以看出建立的完整管道模型只有一半，这样做是有原因的，只建立一半的模型，管道周向，轴向，径向都出现线条的轮廓。因为管道中含有缺陷，进行网格划分时使用自动的网格划分，在缺陷附近的网格划分将会出现不均匀的情况，网格密度不均匀，象征着缺陷附近材料密度和弹性模量的不均匀，这和均匀材料的管道是不相符的，容易造成缺陷的误判。所以需要手工去划分网格，有了这些线条的轮廓就可以对管道的周向、轴向、径向按照自己设定的参数进行手工划分。管道的另一半可以使用镜像复制命令vsymm复制出来。接下来就是缺陷处管道的建立了，CYL4命令提供了所建立管道的起始角度和结束角度，例如输入的参数为0，360则会建立一个完整的管道。因为缺陷会占周向一定的角度，只要在建立缺陷处模型时，输入的参数为：，180。则会预留出一个角度为的空白区域，再建立缺陷区域的下半部分完整管道，一个带有缺陷又方便手工划分的管道就建立完成了。之前建立的所有管道部分都是分开的，需要使用vglue将它们粘结，结果如图4.2所示。cyl4,0,0,ri,theta,ro,180,-lcrack !从缺陷的末端建缺陷处的上半部分管道模型cyl4,0,0,ri,180,ro,360,-lcrack !从缺陷的末端建缺陷处的下半部分管道模型 wpcsys,0 !转换工作平面到0坐标系vglue,all !粘接相同的nummrg,all !合并相同的项 numcmp,all /replot 图4.2 缺陷区域放大图4.3 网格划分由于所建立的模型从管道起始端面和结束端面之间不是等截面的，使用自动的扫掠网格划分将不会成功，下面就要进行手动的网格划分。网格划分的尺寸也是有要求的，不适合的网格划分也会导致检测结果的不明确。本次研究中轴向单元长度的划分与激励波的波长有关，最大的轴向单元尺寸 。未划分网格前线条轮廓：网格划分的效果如下图4.3所示：图 4.3 网格划分4.4 加载、求解、后处理导波在管道中的传播的动力学模型，相当于力在管道（一端完全约束，另一端自由）中的传播，可以用质点的位移来描述波的传播。因此可以对自由端面施加相应的质点位移模拟出对应模态的导波。如：T（0,1）模态的导波在端面的节点上施加周向的位移，L（0,2）模态主要施加纵向的位移。本次研究所选用的分析类型为瞬态动力学分析，用瞬态动力分析可以得到模型在静力载荷，瞬态载荷、载荷下节点随时间变化的位移、应变、应力等情况。后处理有两种后处理器，通用后处理和时间历程后处理。通用后处理可以查看模型在某一时刻下的结果，将结果以图形、文本或动画的形式展现。时间历程后处理可以查看模型某一点特征随时间变化的曲线，也可以以列表的形式输出，后处理用于处理瞬态和动力分析。本次研究选择了时间历程后处理，便于查看检测节点位移时间变化的信息。4.5 模拟结果使用T（0,1）模态导波对管长1.2M，缺陷长10cm*宽0.5cm*深4mm的缺陷进行模拟检测。经过求解后得到的节点位移随时间变化的波形如下图4.4所示：图4.4 T（0,1）对纵向裂纹检测从图中可以看出第一次底波的时间为0.75*10-3s，则波速计算为：（2*1.2-0.01）/0.75*10-3=（2.39/0.75*10-3）=3186m/s。与PCDISP计算的理论波速3138误差为1.5%。缺陷回波信号的时间为0.29*10-3s，可以计算出缺陷距离激励端距离为：461mm，与实际450mm的位置相差11mm，误差2%。可以看出模拟的结果还是比较精确的。5 不同参数对回波信号的影响5.1激励信号周期对回波信号的影响在激励超声导波信号时，原则上只需要一个正选的信号就可以了，但是单音频信号在经过一段时间的传播后，由于频散的现象，很快就会出现各个模态的信号，这使得信号难以分辨。所以激励的时候才用了汉宁窗函数调制的信号，表达式为： （5-1）式中：n周期激励信号的中心频率。下图5.1是对管长1.2m，缺陷大小长30mm*宽5mm*深4mm的纵向缺陷进行检测，分别采用了3、6、10三种周期。T=3 T=6T=10图 5.1 不同周期下的缺陷回波从上图中可以看出在周期=3时导波的信号，对比其他周期信号发生了丢失的现象，始波、缺陷波、底波都发生了不同程度的丢失，这对检测是不利的，而在周期=10的时候，波形发生了较严重的频散，无法确定缺陷信号的反射时间。在周期=6时波形较为完整，适用于进行数值模拟，下文所激励的信号周期都为6。5.2求解时间步长对回波信号的影响在本次研究中涉及到大量的计算，一个1ms激励的求解会消耗1小时左右的运算时间，在研究过程发现这和总的载荷步数是有关系的，载荷步数越多求解的时间越长。总的载荷步数=激励时间/时间步长，激励时间是由缺陷位置和管道长度共同确定了，这两者在模型建立完成时就已经确定了，所以只能通过改变时间步长来减小运算时间。于是进行了只改变时间步长，观察最后回波信号的情况，分析时间步长对回波信号的影响。下图5.2是对管长1.2m，缺陷大小长30mm*宽5mm*深4mm的纵向缺陷进行检测，时间步长分别为2.7e-7s,5.4e-7s，所设置的时间步长都满足式（3-2）。结果如图所示：时间步长t=2.7e-7时间步长:t=5.4e-7图 5.2 不同时间步长对缺陷回波的影响从以上两图可以看出，两者求解后的回波波形都是一致的，且回波最大幅值相差1%。在MATLAB中对缺陷回波部分进行放大观察可以发现时间步长t=2.7e-7的缺陷回波波形要比时间步长t=5.4e-7 更平滑，但总体波形是一致的。这里得到的缺陷最大回波幅值相差1%，这不影响其他方面的计算。因此，在设置时间步长时，可以根据需要来设定，只需求得到最后回波波形的可以将时间步长设置的大一点，对于需要较详细的缺陷回波，可以将时间步长设置的小一些，时间步长的设定可以优化求解运算的时间。5.3缺陷长度对回波信号的影响5.3.1 T（0,1）模态根据在2.4中提到的波结构图，T（0,1）的质点位移主要是周向的位移，径向和纵向位移为0，所以激励一个T（0,1）模态的导波。只需要对管道的内外圈上的所有节点施加周向的位移，激励之前要将当前坐标系和节点坐标系都切换到柱面坐标系，才能做到周向的而不是直线的Y方向。虽然切换到柱面坐标系Y表示的是弧度，但是在施加位移（弧长）很小的情况下，弧度值是约等于弧长的。如下图5.3所示：接收节点激励节点激励方向图 5.3 T（0,1）导波激励示意图本节将探究缺陷长度对回波信号的影响，在激励频率为32.38Khz下的T（0,1）模态导波对不同长度的轴向裂纹进行检测，得到了一下回波信号图。L=0 L=30mmL=50mm L=70mm L=90mm L=100mm图 5.4 不同尺寸的纵向缺陷回波图以缺陷的长度和当前激励频率下导波的波长的比例为X轴，以缺陷回波最大幅值和始波最大幅值为Y轴，制作出缺陷对T（0,1）模态导波的反射系数曲线图，如下图5.5。从图中可以看出裂纹长度在波长30%时，反射系数Y是随着X线性变化的，在X=30%时取得最大值，这个最大值会一直保持到X=40%，并且这个反射系数会在X=50%时降到最小值6.5%，之后又随着缺陷长度的增加而增加，在80%时取得最大值9.6%，随后衰减。图 5.5 通透性裂纹对T（0,1）模态导波的反射系数5.3.2 L（0,2）模态根据在2.4中提到的波结构图，L（0,2）的质点位移主要是纵向的位移，周向位移为0，径向位移在壁厚方向均匀且较小。所以对于L（0,2）模态导波，只要在管道端部的所有节点以一定的中心频率施加纵向的位移就可以激励出L（0,2）模态的导波了。激励之前同样将所有的坐标系旋转到柱面坐标系，激励方法如下图5.5所示：激励端激励方向接受端图 5.6 L（0,2）模态激励方式由于周向的缺陷在柱面坐标系上有对称的关系，所以在进行建模和加载激励求解时，可以只建立一半的模型，然后利用对称进行约束和加载，可以减少单元格数量从而减少计算的时间，如下图5.6所示：图 5.7 周向缺陷模型经过求解以后，可以得到以下缺陷回波图：L/C=0 L/C=4/24 L/C=8/24 L/C=10/24L/C=20/24 L/C=22/24图5.8 不同尺寸的周向缺陷回波图从上图5.8中可以发现，随着周向裂纹长度的增加，缺陷回波幅值越来越高，并且从L/C=1/3开始，在缺陷波后出现了另一个的回波， 这是由于L（0,1）模态的导波的出现。随着缺陷长度的增加，L（0,1）模态回波的幅值会增大并且会有频散出现。下图5.9以缺陷长度/周长为X轴，缺陷回波幅值/始波幅值为Y轴制作了L（0,2）模态下的反射系数曲线。图 5.9 周向裂纹对L波的反射系数可以看出反射系数曲线与缺陷长度呈线性变化，因此，可以根据这个曲线判断缺陷占周向长度的比例，从而大致的推测出缺陷的长度。6 总结本文由管道在现代化文明建设中所起到的重要作用，引出管道检测的重要性，介绍了导波对其检测的原理，由于实验条件的限制，采用了ANSYS仿真模拟的手法来研究导波对管道的检测。对纵向和周向裂纹的检测进行了模拟，文中综述了仿真中所需各项参数的设定条件，分别建立了T（0,1）模态导波对纵向裂纹检测、L（0,2）模态对周向缺陷检测的模型。以缺陷长度为自变量，回波信号幅值/始波幅值为因变量得到了缺陷对两种模态的反射系数曲线。其中纵向裂纹对T（0,1）模态导波的反射系数在缺陷与波长比值30%是呈线性增长模式，随后保持不变，在比值达到50%时反射系数取得极小值，随后增长到80%得到极大值，继而衰减。而周向裂纹对L（0,2）模态的导波的反射系数曲线呈线性关系。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 shear J. Journal of Applied Mechanics, 1956(78):255261.3 L.Mirsky, G.Her