（仪器科学与技术专业论文）基于低频导波技术的钢花管长度测量研究.pdf

j | i | i | i i | | i 帅i | i i l | | l i | i i | i i | | | l l i y 17 8 7 9 6 0 ； 独创性声明 本人声明所呈交的论文是个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 躲丝吼盈纽：壬 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学关于保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分 内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名字星曩导师躲驯嘶2 。口歹，眇 广、 摘要 摘要 钢花管因其管体上带有梅花形布置的注浆小孔而得名。作为管棚支护结构中 的主要组成部分，钢花管被广泛应用于公路和铁路隧道、水电站地下厂房、国防 和人防工程以及城市建设等地下工程建设中。钢花管的施工质量及其服役状况的 好坏是其能否发挥最佳支护效果的关键。因此，在役钢花管的长度测量是十分必 要的。作为无损检测技术的研究热点，导波方法特别适用于杆、管、板等结构的 检测。大多数检测方法对钢花管这种具有特殊几何形状的结构难以进行很好的检 测，而导波无损检测技术在钢花管长度测量问题上具有一定的潜力和优越性。 本课题对利用低频导波检测管棚支护结构中的钢花管长度进行了实验研究 和有限元数值模拟。主要研究内容如下： ( 1 ) 利用导波检测的实验系统，对钢花管长度的导波无损检测问题进行了实 验研究。优化了传感器布置工艺以及电极接线方案，确保激励出比较单一的纵向 轴对称模态导波。通过实验研究，选取了适合钢花管长度测量的导波模态以及特 定检测频率，优化了适合激励最佳模态导波的传感器参数。实验结果表明，低频 纵向轴对称模态导波对钢花管进行长度无损检测是可行的，并选取了适合钢花管 长度测量的低频导波模态以及其检测频率。 ( 2 ) 实验研究了各种因素对导波检测效果的影响。研究了钢花管管体上注浆 小孔的数量对导波检测能力以及导波群速度的影响。研究了钢花管周围所包裹的 水泥介质对导波检测效果的影响。利用f i r 数字滤波器对检测信号进行了处理， 减小了检测信号中的高频分量，使信号辨识更为容易。研究了管端的尖头结构对 导波检测效果的影响。 ( 3 ) 利用有限元软件a n s y s ，对利用低频纵向轴对称模态导波检测钢花管 的长度问题进行了数值模拟。通过仿真研究，验证了钢花管导波检测的可行性以 及检测中所用激励信号中心频率的特殊性。仿真研究了钢花管管体上注浆小孔的 数量对导波检测能力以及导波群速度的影响，并与实验结果进行了对比。仿真研 究了钢花管管体上注浆小孔的直径对导波检测能力以及导波群速度的影响。 关键词导波：钢花管：长度测量；低频；数值仿真 a b s 丁r a c t a b s t r a c t s t e e lf l o r a lt u b ei sn a m e df o rp e a c h - l i k ed i s t r i b u t i o no fs m a l l 铲o u t m gh o l e si ni t s b o d y i t i sw i d e l vu s e di nn l ec o n s t m c t i o no f 岫d e 略r o u n de n g i n e e r i n gs u c h 嬲 h i g h w a ya n dm i l w a yt u r m e l s ，u n d e 罾o u n dw o f i ( s h o p so fw a t e rp o w e rp i a n 坞d e 佗n s e 肌dc i v i la i rd e f e n s ee n g i n e e r i n g ，柚d 山b 锄c o n s t r t l c t i o np r o j e c t s 硒o n eo fk e y c o m p o n e n t so fp i p er o o fs u p p o r t i n gs 仃i j c t u r c s 。t h ec o n s t m c t i o nq u a l i 哆扑ds e r v i c e 咖t u so fs t e e lf l o m it u b e sa r et h ek e yo fi t sa b i l i 妙t 0p l a yt h eb e s ts u p p o r t i n ge f f e c t t h e r e f o r c ，i t sn e c e s s a 巧t om e a s u r em el e n 昏ho fi n s e r v i c es t c e if l o m lt u b e g u i d e d w a v et c c h n o l o g yi se s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rt h ei n s p e c t i o no fb a r s ，t u b e s ，p l a t e s 嬲ah o t r c s e a r c hs p o to ft t l en o n d e s t l l j c t i v et e s t i n gt e c h n i q u e s i t sd i 币c u l tt om e a s u r et h e l e n 舒ho fs t e e in o r a lt u b ew i t hs p e c i a lg e o m e 臼吖b yu s i n gm o s tc o m m o nd e t e c t i o n m e t h o d s h o w e v e r ，g u i d e dw a v et e c h n o l o g yh a sa d v a n t a g ea n dp o t e n t i a lt oi n s p e c t t h el e n g mo fs t c e lf l o r a lt u b e i nt 1 1 i st h e s i s ，l e n g t hm e a l s u r e m e n to fs t e e lf l o r a lt u b e sb yu s i n gl o wf - r e q u e n c y g u i d e dw a v et e c h n o l o g y w 邪s t u d i e de x p e r i m e n t a l l ya n ds i m u l a t e du s i n gf i n i t e e i e m e n tm e t h o d t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r eg i v e n 弱f o l l o w s ( 1 ) n o n d e s t m c t i v el e n 殍hm e a s u r e m e n to fs t e e ln o r a lt u b e su s i n gg u i d e dw a v e t c c h n o i o g yw 孙s t u d i e dw i t ht h eh e l po fe x i s t e dg u i d e dw a v ei n s p e c t i o ns y s t e m t h e l a y o u tp r o c e s sa n de l e c t r o d ew i r i n go f 呦s d u c e r sw e r eo p t i m i z e dt 0e n s u r et h e e x c i t a t i o no fs i n g l ea x i s y m m e t r i cl o n g i t u d i n a lg u i d e dw a v em o d e s 弱f a ra sp o s s i b l e i ne x p e r i m e n t s ，p r o p e rg u i d e dw a v em o d e sw h i c ha r es u i t a b l ef o rl e n g t hm e a s u r e m e n t o fs t e e l f l o r a lt u b e sa n dt 1 1 e i re x c i t a t i o nf r e q u e n c i e sw e r cc h o s e n f u r t h e 唧o r c ，也e p a r a m e t e r so ft h et r a n s d u c e r sf o rt h ee x c i t a t i o no fo p t i m i z e dg u i d e dw a v em o d e sw e r c a l s or e s e a r c h e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a ti ti sf e a s i b l et on o n - d e s t r i j c t i v e l e n 鲈hm e a s u r c m e n to fs t e e i f l o r a lt u b e sb y u s i n gl o w 行e q u e n c ya x i s y m m e t r i c l o n g i t u d i n a lg u i d e dw a v em o d e s p r o p e rl o wn e q u e n c yg u i d e dw a v em o d e sa n d 吐l e i r e x c i t a t i o n 厅e q u e n c i e sw e r ed e t e m i n e d f o rl e n 酵hm e a s u r e m e n to fg t e e ln o r a lt u b e s ( 2 ) e 目 c c t so fv a r i o 啪f a c t o 倦o ng u i d e dw a v ei n s p e c t i o nw e r ci 1 1 v e s t i g a t e d e x p e r i m e n t a l l y f u r t h e r i n o r e ，m ee f i e c t so ft h en u m b e ro fg r o u t i n gh o l e so nd e t e c t i o n a b i l 时a n dg r o u pv e l o c 时o fg u i d e dw a v e sw e r cs t u d i e d 1 ke 氐c to fm ec e m e n t m e d i u mt h a te m b e d d e ds t c e lf l o r a l t u b e so ng u i d e dw a v ei n s p e c t i o nw a sa l s 0s t u d i e d f i rd i g i t a lf i l t e rw a su s e df o rr e c e i v e dg u i d e dw a v es i g n a lp r o c e s s i n g b yu s i n gt h i s f i l t e r i n gm e t h o d ，h i g hf r e q u e n c yc o m p o n e n t so fr e c e i v e ds i g n a l sw e r ce 衢c i e n t l y m a b s t r a c t r e d u c e d 觚du s e f u ls i g n a l sc 锄b ee 孙i l yi d e n t i f i e d t h ee 舵c to fp o i n te n do fs t e e l n o r a lt u b eo ng u i d e dw a v ei n s p e c t i o nw a ss t u d i e d ( 3 ) l e n 或hm e 鹪u r e m e n to fs t e e l f l o r a it u b e sb a s e do nl o wf k q u e n c yg u i d e d w a v ei n s p e c t i o nw 嬲s i m u l 舢e du s i n gf i n 沁e l e m e n ts o f h v a r ea n s y s t h e 佗a s i b i l i t y o fl e n 舒hm e a s u r e m e n tb y u s i n gg u i d e dw a v et e c i l l l o l o g ) ，锄dm e0 p t i m i z a t i o n p a r t i c u l a r i 妙o fc e n 骶f r e q u e n c yo fe x c i t a t i o ns i g n a l sw e r cv e r i f i e d t h ee 腩c t so fm e n u m b e ro f 伊o u t i n gh o l e so nd e t e c t i o na b i l i 够锄dg r o u pv e l o c i 妙o fg u i d e dw a v e s w e r es i m u l a t e da n dc o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t a l 聆s u l t s t h ee f i c c t so ft l l ed i 锄e t e r o fg r o u t i n gh o i e so nd e t e c t i o na b i i i 够a n dg r o u pv e l o c i t yo fg u i d e dw a v e sw e r c s j m u l a t e d k e yw o r d s ：g u i d e dw a v e s ；s t e e ln o r a lt u b e ；l e n g t hm e a s u r e m e n t ；l o wf r e q u e n c y ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 几录 目录 摘要”i a b s t r a c t i i i 第一章绪论l 1 1 研究背景及意义l 1 2 管棚支护技术简介2 1 3 课题相关技术国内外研究现状3 1 3 1 导波检测技术的国内外研究现状“3 1 3 2 导波检测技术数值模拟的研究现状“6 1 4 本课题来源及主要研究内容7 第二章基本理论与有限元分析9 2 1 导波的基本理论9 2 1 1 导波的概念一9 2 1 2 导波的群速度与相速度9 2 1 3 导波的多模态与频散特性l l 2 1 4 圆管中的纵向轴对称模态导波1 2 2 2 有限元分析基础1 4 2 2 1 有限元方法简介1 4 2 2 2 有限元的基本思想与特点1 4 2 2 3a n s y s 有限元软件简介15 2 3 本章小结1 5 第三章钢花管长度测量实验研究”1 7 3 1 实验系统1 7 3 1 1 实验装置构成1 7 3 1 2 传感器的选择l8 3 1 3 传感器布冕工艺优化18 3 1 4 传感器电极接线方案优化2 0 3 2 钢花管导波检测的可行性实验研究2 l 3 2 1 管棚支护结构中的钢花管2 l 3 2 2 钢花管长度测量的可行性实验研究2 2 3 3 检测频率的选择2 3 3 4 不同规格传感器检测效果比较- 2 7 3 4 1 激励频率为1 1 l ( h z 时不同规格传感器检测效果比较2 7 3 4 2 激励频率为3 0 l ( h z 时不同规格传感器检测效果比较2 8 北京工业大学工学硕七学位论文 3 5 本章小结2 9 第四章影响检测效果的因素分析3 l 4 1 水泥介质对检测效果的影响3l 4 1 1 管棚支护结构中钢花管实验室模型的建立3 1 4 1 2 水泥介质对钢花管长度测量效果的影响3 2 4 2 孔的数量对导波传播特性的影响”3 3 4 2 1 孔的数量对第一次端面回波幅值的影响3 3 4 2 2 孔的数量对导波群速度的影响3 4 4 3 检测信号的处理。3 6 4 3 1 检测信号处理的必要性3 6 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 改革开放以来，伴随着西部大开发的脚步，我国铁路、公路、水电站、等山 岭隧道工程的发展进入了一个新的时期，不同长度、不同类型的山岭隧道大量涌 现，因此地下工程施工技术的发展，面临新的机遇和挑战。建隧道具有缩短线路 长度、穿越不良地质地段、提高道路的可靠性和安全性，维修费用少、保护环境 等方面的优点。 公路与铁路隧道建设、水电站地下厂房、国防和人防工程以及城市建设等地 下工程中大量采用管棚注浆支护技术。该技术是在隧道开挖前，沿隧道开挖轮廓 线外以一定的外插角钻孔，然后再把一组钢管通过这些已钻好的孔打入地层内， 并与钢拱架组合形成强大的棚架预支护加固体系，支承来自于管棚上部的荷载， 这些钢管管体上带有梅花形布置的注浆小孔，通过管体上所分布的注浆小孔可以 向地层中注入混凝土砂浆，以加固地层【。 由于工作环境较恶劣，如水分、潮湿空气、雨水等将会渗入到金属管棚中， 致使管棚中的钢花管发生局部腐蚀而引起应力集中，从而导致其断裂，或因土层、 岩层的横向滑动，使其应力状况发生改变，从轴向拉应力变为横向剪应力，最终 导致管棚中的部分或全部钢花管被剪断而失效。除此之外，施工过程中，个别施 工方为谋取不正当利益，偷工减料，往往擅自截短钢花管的长度，使其达不到承 载强度设计要求，给岩土工程的安全带来隐患。由于这几种方式存在着很强的隐 蔽性，因此，对其进行有效的检测存在很大的困难。 目前，国内外不少学者虽然已经对管棚注浆支护技术理论以及其施工工艺有 不少研究，但是在检测其施工质量以及其服役状况方面，尚没有相关研究报道。 近年来，导波无损检测技术得到了广泛的研究和应用，该方法因衰减小，模 态多，传播距离长，检测全面，效率高，成本低等优点，特别适用于管、板、杆 等多种结构健康状况检测，该方法可以检测构件整个波传播的横截面上的缺陷、 构件长度和构件与周围介质握裹程度等。目前，国内专家学者利用超声导波技术 对管道、立柱护栏等管状结构进行了研究，但没有涉及到隧道超前支护无损检测 的领域。为了解决隧道施工过程中围岩稳定问题，保证隧道施工的安全和工程质 量，本课题将首次利用导波无损检测技术对地下工程中应用广泛的管棚支护结构 施工质量以及其服役状况检测问题进行了实验和数值仿真研究。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2 管棚支护技术简介 管棚支护技术是地下工程施工巾通过浅埋、软弱破碎岩体、塌方段等不良地 质层时用以防止掌子面坍塌并限制同岩变形的一种超前支护手段。该方法是沿隧 道开挖轮廓线外的设定部位，以一定的外插角铺设钢花管，利用钢花管作为纵向 支撑，钢拱架作为横向环形支撑，并向钢管内喷入高压混凝土砂浆，通过钢花管 管体上预设的梅花型布置的注浆小孔向地层中灌入混凝土砂浆，以此固结钢管周 边的围岩或土层，形成在预定范围内的棚架支护体系。其特点是可改善松散破碎 岩层的力学性质，在拟开挖段上方形成具有较强承载能力的整体排架式加固拱 圈，其刚度较大，能阻止和限制围岩变形，并能提前承受早期围岩压力，起到超 前支护的作用。由于该工法具有不需要大型机器设备、工艺流程简单、见效快等 特点，因此在地下工程软弱破碎围岩或塌方处理施工中被广泛采用睇j 。 管棚支护的工作原理可总结为：预先构建的管棚，以掌子面套拱( 钢支撑) 和后方围岩支撑为支点，形成一个梁式结构，二者构成环绕隧洞轮廓的壳状结构， 可有效抑制围岩松动和垮塌。通过管棚注浆，在拱顶预先形成固结的保护拱壳， 固结层起到承载拱的作用，承受了拱上部地面的荷载和岩层重量，使拱内部围岩 仅承受拱部围岩的形变压力，从而创造了理想的开挖条件。南于超前管棚沿隧道 荷 撑 掘 碎 隧 可 棚 第章绪论 支护结构施工快、安全性高，被认为是隧道施工中预防事故的最有效、最合理的 辅助措施之一。 1 3 课题相关技术国内外研究现状 本课题需要解决的主要问题是管棚支护结构中钢花管长度的测量问题，与普 通的圆管不同的是，钢花管的管体上带有呈梅花形布置的注浆小孔。 导波无损检测技术的一个重要应用领域是管道管体上缺陷与腐蚀的检测，其 中的首要问题就是导波模态以及检测频率的选择。不同的模态与检测频率对缺陷 的敏感度是不同的，一定频率范围内的导波模态在内管道中传播，遇到较小的缺 陷就会产生比较明显的反射同波，以此来判断缺陷的特征，有的导波模态即使遇 到较大的缺陷，产生的反射回波也不明显甚至没有，而是绕过缺陷继续往前传播。 但是无论是哪种模态的导波，当他们遇到管道的端面时，均会产生比较明显的端 面反射回波，以此来判断所检测管段的整体情况。基于以上分析，利用导波无损 检测技术来解决钢花管的长度测量问题有一定的优势。在本课题的研究巾，把钢 声 花管看成普通的圆管，将其上分布的小孔看成管体上存在的缺陷，选取合适的导 波模态以及检测频率，使其能够通过衍射等过程绕过管体上所分布的“缺陷”， 当遇到钢花管的端面时产生反射回波，以此来确定钢花管的长度。 ： 因此，本课题主要关注以下两项研究的国内外发展现状，以此作为本课题后 续研究工作的依据和参考。 1 3 1 导波检测技术的国内外研究现状 国内外对导波技术的研究经历了从理论推导到试验验证两个阶段，从单层板 中的导波理论研究到较复杂的圆柱状结构中导波缺陷检测的实际应用的过程。前 期的工作主要是进行理论求解，后来，研究者们将理论应用到一些特定的物理现 象以及工程实际问题中。 1 3 1 1 导波检测技术的国外研究现状 导波技术的理论研究最早开始于1 9 世纪末，研究者们首先对在不同波导中 弹性波的传播特性进行了理论研究。j r a y l e i 曲【4 】和h - l a m b 【5 】对自由状态下各向 同性板中弹性波传播特性的分析，推导出在平面应变假设下单层、各向同性自由 板中的i t a y i e i 曲l a m b 超越方程，从此，拉开了导波理论研究的序幕。c c h r e e l 6 】利 用线弹性理论研究了弹性波在无限长圆柱杆中的传播特性。在板壳理论的基础 上，j r a y l e i 曲0 4 j 和a l o v e i7 j 假设波为轴对称运动，分析了波在空心圆柱壳中的 北京工业大学工学硕士学位论文 传播。p m n a g h d i 等1 8 j 建立了t i m o s h e n k o 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，并通过增加不同的修正条件提高板壳理论近似的 准确性。i m i r s k y 9 】和gh e 咖a n n l l o 荆用三维弹性理论研究了无限长，厚壁的空 心圆柱壳，推导出频散方程，并给出了一些低阶轴对称模态导波的相速度解。 r c o o p e r 等i l l j 首先利用板壳理论分析了非轴对称波在圆柱壳中的传播，考 虑了转动惯量和横向剪切变形的影响。d g a z i s 【1 2 】首先分析了平面应变假设条件 下的空心圆柱壳，得到了超声导波的频散方程，分析了轴对称和非轴对称模态的 导波。此后，d g a z i s 【1 3 ，1 4 】又完整地推导出在无限长、各向同性的空心圆柱壳巾 超声导波传播的弹性解，得到了描述纵向模态、扭转模态和弯曲模态在空心圆柱 壳中传播的理论表达式，并进行了数值计算，得到了一些模态的频散曲线和不同 模态的截止频率。1 9 6 4 年l k n o p o 一1 5 】首先提出了用全局矩阵法来捕述多层结构 的应力和位移。全局矩阵法利用子矩阵捕述边界条件和各层之间的连续性条件， 然后由这些子矩阵构成一个全局矩阵，满足了数值求解时的稳定性问题。t w a t s o n i l 6 j 和d l e v e s q u e 等【 】在用全局矩阵法和传递矩阵法求解多层结构时。考 虑了波在材料中传播的衰减因素。e r m i c h a e i 【1 8 】采用传递矩阵法求解了由弹性 和粘弹性层材料组成的多层板的冲击响应问题。f d e g e r t e k i n 等【1 9 】研究了多层各 向异性板结构。c r a n d a l l 等【2 0 】提出了多层圆柱壳的问题，在求解过程中引入了 h a n k e l 函数，并解决了垂直入射波的传播和反射的问题。 由于在工程实际中，存在许多内部充液、充气。或者浸没于水包覆于土壤、 混凝土等其它介质中的管道，凶此，对这类复杂工况下的管道的研究对超声导波 的实际应用具有十分重要的意义。j g r c e n s p o n l 2 l l 首先采用了几种不同的板壳理 论，研究了水对水浸厚壁和薄壁圆柱壳频散曲线的影响。h l c h e n 等【2 2 】理论推 导了埋在无限大的同体介质中充液管道纵向模态的频散方程。s l e l v i r a 【2 3 j 研究 了充粘性液体管道叶1 轴对称纵向模态的频散和衰减特性。m v i e n s 等【2 4 】对无限大 包覆层巾的杆巾扭转模态的传播特性进行了理论分析。r l o n g 等【2 5 】研究了在地 埋充水钢管中低阶模态的衰减特性。j n b a r s h i n g e r 等【2 6 】贝0 系统研究了带粘弹性 包覆结构的管中导波检测问题。 帝国理工大学的p c a w l e y 、m l o w e 和d a l i e y n e 等人在理论研究方面的工作 尤为突出。m l o w e 【27 】对矩阵技术在多层结构中的应用作了一个总结，并且在考 虑材料衰减的情况下，利用函数最小化的方法求解了频散方程的复数根。在一系 列理论研究的基础上，他们还开发出了专用于计算不同结构中超声导波频散曲线 的d i s p e r s e 软件。 对于一些更加复杂结构，如弯管、铁轨等，通过解析方法无法求解，只能通 过有限元等方法进行数值模拟，j l r d s e 【2 8 】领导的研究小组在这方面取得了较好 的成果。 4 第一荦绪论 1 9 9 7 年英国超声导波公司与英国帝国理工大学工程力学系合作，率先成功 推出了管道超声波长距离在线无损检测技术，并迅速实现商品化。主要应用在英 国、美国、欧洲、南非、北美、日本等世界各地，应用效果良好。直至今天，导 波技术则更集中地被应用于无损检测领域中，针对不同材料、不同形状的介质进 行缺陷检测及性能评价。 导波技术与商业开发的两大主要机构是英国的超声导波公司和美国的西南 研究院，英国的p l a mi n t e g r i 够公司主要从事商业开发。口前市场上，国外生产 的用于长输管道检测的超声导波检测仪包括p i a mi n t e 酊t y 公司生产的t c l e t e s t 检测设备和英国超声导波公司生产w a v e m a k e rg 3 检测设备等。 1 3 1 2 导波检测技术的国内研究现状 与国外相比，国内对超声导波检测技术方面的研究起步较晚，其研究应用还 处于初级阶段。宁伟等【2 9 】得到了具有流体负载的三层复合结构中漏兰姆波的频散 方程。刘镇清【3 0 】综述近年来国内外在超声导波技术研究方面的一些成果。并进行 孽 了初步的实验。严萍等【3 l 】对各向异性板材巾兰姆波的传播特性进行了研究，推导 出各向异性薄板有对称液层负载时板中对称与反对称兰姆波的频散方程。何存 富、吴斌等【3 2 】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。张锐等p 驯推导了 层状粘接复合结构良好粘结以及弱界面、滑移界面和脱层等几种不同界面条件下 声导波的广义频散方程。在导波传感器方面，何存富、李隆涛等p 4 j 研究了薄壁管 道内周向超声导波的传播及其频散特性，并且通过对比薄壁板与薄壁管道内的导 波，找出来一个比较简便研究周向导波的方法，并通过实验验证了周向导波的频 散现象以及激励模态与斜探头楔形角的关系，并且认为在管道中可以激励出单一 的周向导波。何存富、于海群等【3 5 】研制了一种超声导波专用探头，用于在管中激 励和接收超声导波，结果表明这种探头可以激励和接收超声导波。何存富、刘增 华等【3 6 】介绍了五种不同类型传感器在管道导波检测中的工作原理、特性及应用。 刘增华【3 刀分析了单层管道、充液管道、带粘弹性包覆层未充液和充液管道四种管 状结构中纵向模态频散方程的相互关系，对带环氧树脂包覆层管道中纵向模态的 频散和衰减等传播特性以及包覆层厚度变化对模态传播特性的影响进行了理论 研究。yl i 等【3 8 】通过实验研究了管道巾纵向、扭转和弯曲三种模态通过环状焊缝 后的衰减变化。j qy u 等【”1 应用勒让德正交多项式级数展开的方法研究了空心 球体中导波的频散特性，并将这一方法推广到研究功能梯度材料中的导波特性。 商业应用上，管道超声导波设备以及专用探头目前全部由国外厂商生产，国 北京工业大学工学硕士学位论文 内无相关替代产品。即市场上还没有国内生产的成熟产品。 1 3 2 导波检测技术数值模拟的研究现状 h b a i 等i 加，4 l j 通过三维化简，将有限元同弹性动力学解析法相结合，研究了 各导波模态对于管道中周向缺陷的敏感程度。t h a y 硒h i 等【4 2 】利用半解析有限元 技术研究在管道中传播的弯曲模态的聚焦问题，通过计算观察由单一传感器布置 在管道表面，经过一定距离的传播后管道圆周方向各个点的模态回波情况，并利 用相应的时域反向方法对特定的弯曲模态在传播一定距离后进行能量聚焦，达到 了满意的效果。之后j l j 贝0 系统地研究了非轴对称加载产生的纵向弯曲模态用 于管道导波检测，以及通过位移圆周分布调制实现相控聚焦，提高缺陷检测能力 的问题。 p - c a w i e y 等l 州，m l o w e 等【4 5 1 ，d a l l e y n e 等【蛔在用有限元法对管道局部切 槽引起的导波模态转换问题进行研究时，提出使用壳单元网格划分方式。有限元 模拟结果表明，轴对称的l ( 0 ，2 ) 模态导波入射到切槽处，反射波包含l ( 0 ，2 ) 、f ( 1 ，3 ) 、 f ( 2 ，3 ) 三种模态，并且当切槽长度很短时，反射得到的l ( o ，2 ) 模态和f ( 1 ，3 ) 模态数 量相同。 a d e m m a 等【47 j 通过有限元分析得到了t ( 0 ，1 ) 模态的反射系数随着周向缺陷 尺寸，如轴向长度、周向长度和径向深度的变化曲线，并对部分结果进行试验验 证。当周向缺陷的某一方向的尺寸增大，t ( o ，1 ) 模态的反射系数也随之增加。但 没有分析t ( 0 ，1 ) 模态对纵向缺陷检测的可能性，未得到相应的反射系数曲线。w z h u 【4 8 】用有限元法模拟更加接近于实际情况的腐蚀缺陷，分析了管道中腐蚀缺陷 与各导波模态间的反射系数关系。在该研究中，为了使缺陷更加接近实际情况， 网格划分使用了实体单元，大大增加了计算量。但这种方法的好处是，可以研究 非通透型缺陷对于超声导波模态的反射问题，而不像使用壳单元经行网格划分仅 能预测通透型缺陷。此外，j p a r k 等【4 9 1 ，j m g a l a n 等【5 0 】利用有限元技术分析多 层带缺陷结构中导波对缺陷的敏感程度问题。总的来看，英国帝国理工学院的超 声无损检测研究室，在用有限元法研究导波与管中缺陷相互作用这方面的工作相 对完整、系统，比较具有代表性。 边界元法是继有限元法之后发展起来的一种求解力学问题的数值方法。边界 元法的优点是应用g u a s s 定理使问题降阶，将三维的问题化为二维的问题，将二 维的问题化为一维的问题，大大减少了计算工作量。由于边界元方法相对于有限 元方法较简单，冈此在超声导波的缺陷特征研究过程巾，j l 1 b s e 等【5 1 】将导波模 态概念引入到边界元技术之中形成混合边界元法，求解板状结构中导波模态同缺 陷间的关系。他指出，缺陷的形状和尺寸应该同l 锄b 的反射和透射系数之间存 6 第一章绪论 在着某种联系，其中的关键是找到与反射和透射系数有关的特征量进行分析。这 种方法可以处理几何形状比较复杂的缺陷的散射问题，并且具有较高的计算效 率。 国内，同济大学他得安【5 2 j 也介绍了有限元、边界元等数值模拟方法在超声导 波研究中的应用。李隆涛【5 3 】利用有限元法研究了l ( 0 ，2 ) 模态导波对管道上裂纹缺 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。程载斌m j 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影响的关系，同时，也对管道上的周向单裂纹和双裂纹 的定位进行了初步研究。李伟【5 5 】利用有限元仿真研究了超声导波检测管道缺陷的 能力，并对缺陷尺寸与缺陷的反射系数之间的关系进行了定量的研究，从而为实 际的检测中通过检测信号评估缺陷损伤程度提供了相关依据。邓菲】采用薄壳和 厚壳模型，用有限元方法模拟了管道中的通透缺陷和非通透缺陷的时间反转导波 检测过程，研究了时间空间聚焦效应及时间反转信号截取窗宽对检测能力的 影响。 1 4 本课题来源及主要研究内容 本课题来源于国家自然科学基金项目。主要研究内容如下： ( 1 ) 利用导波检测的实验系统，对钢花管长度的导波无损检测问题进行实验 研究。优化传感器布置工艺以及电极接线方案，确保激励出比较单一的纵向轴对 称模态导波。通过实验研究，选取适合钢花管长度测量的导波模态以及特定检测 频率并优化适合在钢花管中激励最佳模态导波的传感器参数。选取适合钢花管长 度测量的低频导波模态以及其检测频率。 ( 2 ) 实验研究各种因素对检测效果的影响。研究钢花管管体上注浆小孔的数 量对导波检测能力以及导波群速度的影响。研究钢花管周围所包裹的水泥介质对 检测效果的影响。利用信号处理分析方法对检测信号进行处理，减小检测信号中 的高低频分量。研究管端的尖头结构对检测效果的影响。 ( 3 ) 利用有限元软件a n s y s ，对利用低频纵向轴对称模态导波测量钢花管 的长度问题进行数值模拟。通过仿真研究，验证钢花管导波检测的可行性以及检 测中所用激励信号中心频率的特殊性，研究钢花管管体上注浆小孔的数量与直径 对导波群速度以及导波检测能力的影响。 7 第二章基本理论与有限元分析 第二章基本理论与有限元分析 2 1 导波的基本理论 2 1 1 导波的概念 在无限均匀介质中传播的波称为体波，它包括纵波及横波。在传播时，它们 以各自的特征速度进行传播，相互之间无波型耦合。当介质的性质存在不连续性 时，波将发生一次反射或透射，导致波的波型发生转换。然而在波型发生转换后， 各种类型的反射波和透射波及交界而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。当介质中有一个以 上的交界面存在时，波将发生来回反射，这些往返的波将会产生复杂的波型转换， 波与波之间还将发生复杂的干涉。承载波传播的介质一般包括圆柱壳、杆及层状 的弹性体，都是典型的波导。由于它们都是有边界的物体，所以在这些结构里面 传播的波称为导波。 2 1 2 导波的群速度与相速度 相速度与群速度是导波理论中两个最基本的概念，相速度是波上相位固定的 一点沿传播方向的传播速度，它代表等相位点的传播速度。而群速度是描述不同 频率下波的传播速度，它是指弹性波的包络上具有某种特性的点的传播速度，是 波群的能量传播速度。由于两种速度描述的对象不同，所以导波的群速度与相速 度会出现不一致的现象【5 7 ，5 引。 模态l 模态2 模态3 旷 ；| 吼 _ 时间 图2 1 多模态导波接收波形 f i g 2 一lr e c e i v e dw a v e f b 册o f m u l t i p l eg u i d e dw a v em o d e s 如图2 1 所示，接收信号中会出现三个模态的超声导波，假定它们在超声波 导中传播的距离一致，由于图中的模态l 导波较模态2 导波靠前，所以模态l 的 9 北尕工业大掌工掌帧士学位论文 群速度比模态2 的群速度快，同理模态3 导波比模态l 导波和模态2 导波的群速 度都要慢。但是，导波的群速度快，并不意味着它的相速度也快，反之亦然。 如图2 2 中的波形口为超声波发射与接收传感器在一定距离时得到的一个导 波波形。当两传感器的间距加大，后波形的包络明显向后移动一段时间，l 后的波 形记为波形6 ，两波形的等相位点相差的时问为如。工程上，就可借此粗略地估计 这种模态导波在图2 2 所示超声波频率附近的相速度瘌群速度咯为： ：等 ( 2 - 1 ) 2 = 竽 ( 2 - 2 ) i 因此，某一频率点上导波的群速度很小，却很可能有很大的相速度。群速度 与相速度的关系为： 驴南 一) 淼 式中厂所要求导波的频率； d 所检测试件的厚度，其中板为板厚，杆为杆的半径。 图2 2 群速度与相速度的关系 f 适2 21 1 1 er e i a t i o nb e t 、v e g r o u pv e l o c 时锄dp h 蹴v e l o c 时 l o ( 2 3 ) 第二章基本理论与有限元分析 2 1 3 导波的多模态与频散特性 频散特性指由于受到波导几何尺寸特征的影响，使得不同频率范同内会出现 不同的模态，即导波的速度随频率的不同而改变。除此之外，结构材料本身物理 性质的不同( 如梯度材料) ，也会产生频散，称为物理弥散。本文所指的频散为 由波导几何尺寸所导致的频散。 导波信号在有边界的介质中传播一定距离之后，时域内的波包宽度会变长， 且幅度降低。以一个峰一峰值为l v ，经h a 彻i n g 窗调制的l o 个周期，中心频率 3 0 l ( h z 的正弦波脉冲信号为例，如图2 3 所示。将其在介质中传播l m 及5 m 后 的时域波形进行对比，可以明显发现波形变宽，幅度也明显减小，如图2 4 所示。 频散的出现，不仅降低了信号检测的灵敏度，更为后续信号的分析与识别带来了 困难。在实际应用中，应尽量避免采用频散严重的超声导波模态用于结构的健康 检测。 波导结构中，一般在某一频率下至少存在两个或两个以上的导波模态；它们 在波导中以不同的群速度传播。此种现象在群速度频散曲线上表现为一个频率点 处至少对应两条或两条以上曲线，不同的曲线代表不同的模态。 时问加s 图2 3 原始信号 o 2 5 o 5 0 o 7 51 o o1 2 5 时问f m s 图2 - 4 导波频散现象 f i g 2 - 3o r i g 访a ls i g n a lf i g 2 _ 4d i s p e r s i o no fg u i d e dw a v e s 同时，导波的模态不同，波结构和频散特性也不相同。对结构r f l 不同类型、 不同位置缺陷的敏感程度也不同。因此，需要利用导波的多模态特性选取合适的 模态检测不同结构中，不同位置、不同类型的典型缺陷。 导波的多模态特性是传统超声检测技术所没有的。在实际工程检测中，既需 要避免由于多模态特性而