（电路与系统专业论文）管状结构中超声导波检测特性数值模拟.pdf

q c l a s s i f i e dl n d e x ：t g1 15 2 8 u d c ：6 2 0 7 i r l l f l f l l i l l f f l f f u f f l f f f 1 l 1 1 l l f f l r f l l l i f l l l l y 17 14 5 8 8 di s s e r t a t io nf o rt h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n g s t u d yo nt h en u m e c a l s i m u l a t i o nm e t h o da n dd e t e c t i o n c h a r a c t e r so f u l t r a s o n i cg u i d e d 互a v e si nc y l i n d r i c a ls t r u c t u r e s c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： s u b s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e e a p p l i e df o r ： s p e c i a l i t y ： d a t eo fs u b m i s s i o n ： d a t eo f0 r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： s u ng u a n gk a i p r o f j i a oy a n g s e n i o re n g i n e e r l ig u a n gh a i m a s t e ro f e n g i n e e r i n g c i r c u i t sa n ds y s t e m s n o v e m b e r ，2 0 0 9 d e c e m b e r ，2 0 0 9 h e b e iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y 一 k 河北科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 卅q 卵月7 日 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 酌保密。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名印7 1 引铂叼日 指剥币签名：幼日 m 勺年l i i , 月- , - ? h ， 一 摘要 摘要 管道的长距离快速超声导波检测研究近年来受到国内外无损检测学者的极大关 注，是管道检测技术发展的新方向。针对研究导波理论的重要性，以及计算分析管 结构中导波的传播及缺陷反射过程的复杂性，本文将导波理论与数值计算方法相结 合，对管状结构( 波导) 中超声导波的传播及在缺陷处的反射过程的数值计算方法 进行了研究，掌握了应用数值计算方法研究导波理论的核心技术，对数值计算的稳 定性、有效性和准确性进行了综合分析与实验验证。在大量数值模拟实验的基础上， 分析了管状波导中几种主要模态导波的特性，得出了与国外基本一致的研究结果， 对国内在管状波导中超声导波的数值模拟研究方面仍比较薄弱的现状进行了一定程 度的弥补。 在应用数值计算方法分析管状结构中超声导波的一般特性的实验过程中，通过在 a n s y s 程序中建立有限元模型、施加表面激励载荷、求解计算，模拟“o ，2 ) 和t ( 0 ，1 ) 模态导波在钢管中的传播及遇到不同缺陷的反射过程，研究两种模态导波的特性。 研究结果如下： 1 采用u o ，2 ) 与t ( 0 ，1 ) 模态导波相结合的检测技术可以提高检测的精确度。 2 适当频率范围内的l ( 0 ，2 ) 模态导波在一定的传播距离内基本非频散，振幅呈 指数衰减，在传播一定距离后基本保持稳定，对圆周位置上的内外缺损均具备一定的 敏感性且波速较快。 3 适当频率范围内的t ( 0 ，1 ) 模态导波在传播过程中基本非频散，振幅呈指数衰 减，在传播一定距离后基本保持稳定，对圆周位置上的内外缺损均具备一定的敏感 性。 4 t ( 0 ，1 ) 模态导波的频散和衰减特性优于u o ，2 ) 模态导波。 5 两种导波的反射系数随缺陷周向长度和深度的增长而线性增长，当深度未贯 穿壁厚时，缺陷的轴向长度对反射系数影响很大，在深度贯穿壁厚的情况下，反射 系数几乎不受轴向长度的影响。 关键词：导波；缺陷；反射；数值模拟；频散；衰减 河北科技人学硕十学位论文 - _ l - _ _ _ _ - - - - - - - - - _ _ _ - l _ - l _ - _ - - - - 一一一 _ a b s t r a c t s t u d yo nt h eu l t r a s o n i cg u i d e dw a v el o n gr a n g ef a s tp i p ed e t e c t i n gt e c h n i q u ew a s b r o u g h ti n t of o c u so fb yt h es c h o l a r sb o t ha th o m ea n da b o a r di nr e c e n ty e a r s ，a n dt h e t e c h n i q u ei san e wo r i e n t a t i o n f o rt h es i g n i f i c a n c eo fs t u d y i n gt h eg u i d e dw a v et h e o r i e s a n dc o m p l e x i t yo fc a l c u l a t i n ga n da n a l y z i n gt h ec o u r s e so fp r o p a g a t i o na n dr e f l e c t i o n f r o mn o t c h e so fg u i d e dw a v e si nc o m p l e xs t r u c t u r e s ，t h en u m e r i c a lm e t h o do fc a l c u l a t i n g t h ep r o p a g a t i o na n dr e f l e c t i o nf r o mn o t c h e so fu l t r a s o n i cg u i d e dw a v e si n c y l i n d r i c a l s t r u c t u r e sw a ss t u d i e dt h r o u g h a s s o c i a t i n gt h eg u i d e dw a v et h e o r yw i t hn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d t h ec e n t r a lt e c h n i q u eo ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ，w i t hw h i c h t os t u d yt h eg u i d e dw a v et h e o r y , w a sk n o w nw e l l t h es t a b i l i t y , v a l i d i t y , a n da c c u r a c yo f t h en u m e r i c a lm e t h o dw a sa n a l y z e dc o m p r e h e n s i v e l ya n dp r o v e dt h r o u g ham o u n to f e x p e r i m e n t s t h ec h a r a c t e r so fs o m em a i nk i n d so fg u i d e dw a v e si nc y l i n d r i c a ls t r u c t u r e s w e r ea n a l y z e dt h r o u g hq u i t ea m o u n to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，s i m i l a rr e s u l t s w e r eo b t a i n e dc o m p a r e dw i t ho t h e ro v e r s e a s t h ef i e l do fa p p l y i n gt h en u m e r i c a lm e t h o d t oa n a l y z et h eg u i d e dw a v et h e o r yw a saw e a k n e s si nd o m e s t i cs t u d i e s ，a n dt h es t u d yw a s as u p p l e m e n tt ot h ep r e s e n ts i t u a t i o n i i lt h ep r o c e s so fa n a l y z i n gt h eg e n e r a lc h a r a c t e r so fg u i d e dw a v e si n c y l i n d r i c a l s t r u c t u r e sw i t ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ，t h ec o u r s eo f p r o p a g a t i o na n dr e f l e c t i o n f r o md i f f e r e n tk i n d so fn o t c h e so f l ( 0 ，2 ) a n dt ( 0 ，1 ) m o d eg u i d e dw a v e si ns t e e lp i p e sw a s s i m u l a t e dt h r o u g hb u i l d i n gm o d e l s ，i m p o s i n gs u r f a c el o a d s ，a n dc a l c u l a t i n gi nt h ea n s y s p r o g r a m ，a n dt h ec h a r a c t e r so fl ( 0 ，2 ) a n dt ( 0 ，1 ) m o d eg u i d e dw a v ew e r es t u d i e d t h e r e s u l t sw e r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 ) t h ed e t e c t i o nt e c h n i q u ec o n s i s t i n go fb o t hl ( 0 ，2 ) a n dt ( 0 ，1 ) m o d eg u i d e dw a v e d e t e c t i n gm e t h o dp o s s e s s e sh i g ha c c u r a c y 2 ) 3 ) t h el ( 0 ，2 ) m o d eg u i d e dw a v ew a s b a s i c a l l yn o n d i s p e r s i v ei nr e a s o n a b l ef r e q u e n c i e s t h ea t t e n t i o nt r e n do fa m p l i t u d ew a se x p o n e n t i a la n dt h ea m p l i t u d ew a sb a s i c a l l y k e e p i n gs t a b l ea f t e rp r o p a g a t i n gw i t h i nad i s t a n c e ，t h el ( 0 ，2 ) m o d eg u i d ew a v ew a s s e n s i t i v et ob o t hi n n e ra n do u t e rc i r c u m f e r e n t i a ln o t c h e s t h et ( 0 ，1 ) m o d eg u i d e dw a v ew a sa l s o b a s i c a l l yn o n d i s p e r s i v e i nr e a s o n a b l e f r e q u e n c i e s ，t h ea t t e n t i o nt r e n do fa m p l i t u d ew a se x p o n e n t i a la n dt h ea m p l i t u d ew a s b a s i c a l l yk e e p i n gs t a b l ea f t e rp r o p a g a t i n gw i t h i nad i s t a n c e ，t h et ( 0 ，1 ) m o d eg u i d e w a v ew a ss e n s i t i v et ob o t hi n n e ra n do u t e rc i r c u m f e r e n t i a ln o t c h e s 1 1 卜 皤 a b s t r a c t - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ _ _ l - _ - - - _ l l _ - i _ l - l _ - i _ _ _ _ _ - - - 4 ) t h ed i s p e r s i o na n da t t e n u a t i o nc h a r a c t e r s u 0 ，2 ) m o d eg u i d e dw a v e o ft ( o ，1 ) m o d ei sm o r ee x c e l l e n tt h a nt h a to f 5 ) t h er e f l e c t i o nc o e f f i c i e n to fu 0 ，2 ) a n dt ( o ，1 ) m o d eg u i d e dw a v ei n c r e a s e sl i n e a r l y w i t ht h ei n c r e a s eo fc i r c u m f e r e n t i a le x t e n ta n dd e p t ho fn o t c h e s ，t h ea x i a le x t e n to f p a r t d e p t hn o t c h e si n f l u e n c e st h er e f l e c t i o nc o e f f i c i e n ts e r i o u s l y , b u tt h ea x i a le x t e n to f t h r o u g h - t h i c k n e s sd e f e c t sh a sn e g l i g i b l ee f f e c to nt h er e f l e c t i o nc o e f f i c i e n t k e y w o r d s ：g u i d e dw a v e ；d e f e c t ；r e f l e c t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；d i s p e r s e ；a t t e n u a t i o n i i i 河北科技人学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 研究背景? “1 1 2 研究历史和现状2 1 2 1国外的研究历史和现状2 1 2 2国内的研究历史和现状3 1 3 课题来源及主要研究内容3 第2 章基本原理5 2 1 超声导波检测技术概述5 2 1 1导波的概念与分类5 2 1 2 导波的激发原理5 2 1 3 超声导波管道缺陷检测原理5 2 1 4 检测灵敏度6 2 2 管结构中导波的频散与衰减6 2 2 1 导波的频散现象6 2 2 2 管结构中导波的频散方程6 2 2 3管结构中导波的频散曲线9 2 2 4 频散现象的抑制方法1 0 2 2 5 导波的衰减1 0 2 3 管结构中导波的模态分析1 1 2 3 1 多模态现象1 1 2 3 2 管结构中导波的主要模态1 1 2 4 本章小结1 4 第3 章管结构中超声导波的数值模拟1 6 3 1管结构物理模型的建立1 6 3 2 数学模型的建立1 7 3 2 1 钢管结构的有限元模型1 7 3 2 2 结构作用力的数学模型1 7 3 2 3 误差分析1 8 3 3 边界问题1 9 i v 一 _ 、 4 1 l ( 0 ，2 ) 模态导波的频散与衰减特性2 4 4 2 l ( 0 ，2 ) 模态导波对钢管内外缺损的检测灵敏度2 5 4 3u 0 ，2 ) 模态导波的反射系数与缺陷尺寸的关系2 7 4 3 1 缺陷周向长度与反射系数的关系2 7 4 3 2 缺陷深度与反射系数的关系2 9 4 3 3 缺陷轴向长度与反射系数的关系3 1 4 4l ( o ，2 ) 模态导波在不同材质的钢管中的传播3 6 4 4 1 l ( 0 ，2 ) 模态导波在两种钢材韵无缝直管中的传播3 6 4 4 2 l ( 0 ，2 ) 模态导波在两种材质的带缺陷钢管中的传播3 7 4 5l ( 0 ，2 ) 模态导波在不同壁厚的钢管中的传播3 9 4 5 1 l ( 0 ，2 ) 模态导波在两种壁厚的无缝直管中的传播3 9 4 5 2l ( 0 ，2 ) 模态导波在两种壁厚的带缺陷钢管中的传播4 1 4 6 本章小结4 2 第5 章t ( 0 ，1 ) 模态导波特性的数值模拟研究4 3 5 1 t ( 0 ，1 ) 模态导波的频散与衰减特性4 3 5 2 t ( 0 ，1 ) 模态导波对钢管内外缺损的检测灵敏度4 4 5 3 t ( 0 ，1 ) 模态导波的反射系数与缺陷尺寸的关系4 6 5 3 1 缺陷周向长度与反射系数的关系4 6 5 3 2 缺陷深度与反射系数的关系4 8 5 3 3 缺陷轴向长度与反射系数的关系5 0 5 4 t ( 0 ，1 ) 模态导波在不同材质的钢管中的传播5 4 5 4 1 t ( 0 ，1 ) 模态导波在两种钢材的无缝直管中的传播5 4 5 4 2 t ( 0 ，1 ) 模态导波在两种材质的带缺陷钢管中的传播5 5 5 5 t ( 0 ，1 ) 模态导波在不同壁厚的钢管中的传播5 7 5 5 1 t ( 0 ，1 ) 模态导波在两种壁厚的无缝直管中的传播5 7 5 5 2 t ( 0 ，1 ) 模态导波在两种壁厚的带缺陷钢管中的传播5 9 v 河北科技人学硕十学位论文 5 6 t ( o ，1 ) 与u o ，2 ) 模态导波特性的对比研究6 0 5 6 1 频散与衰减6 0 5 6 2 反射系数受缺陷尺寸的影响6 1 5 6 3 研究结果6 3 5 7 本章小结6 3 结 仑6 4 附录i 6 5 参考文献6 7 攻读硕士学位期间所发表的论文7 0 致谢7 1 一 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 管道在石油、化工、天然气和城市建设等行业中，起着非常重要的作用，是现 行的五大运输工具之一。管道在运输液体、气体等方面具有低成本、高效能和安全 稳定的优势，在石油、化工、电力及天然气等行业中具有不可替代的作用。城市的 供水、煤气系统更是极为庞大的管道网络。目前，我国建设的各种管道已经达到3 0 余万公里，每年铺设新管线约1 0 0 0 2 0 0 0 公里。应西气东输工程的需要，铺设新管 道的速度大为加快。 经过几十年的服役期，由于恶劣环境的腐蚀、疲劳、人为损坏、管道自身缺陷 等因素的影响，管道输送系统进入事故多发期，如何做好管道的检测维修工作具有 重要的现实意义。在美国，锅炉管道损伤是热力发电设备可用率低的首要原因，近 十年来，已发现五万多台锅炉管道损伤，相当于可用率减少6 ；另一方面，自来水 管网泄漏的检测和维修是城市给水工程的重要环节，而地下管网泄漏现象非常普遍， 据国际给水协会( 刑s a ) 1 9 9 7 年的调查报告表明，管网泄漏量占给水总量的2 0 3 0 ，一些陈l e t 的给水系统的泄漏量达5 0 之多。在国内，仅电力方面，8 3 以上的 电力由火力发电厂提供，在火力发电厂基建安装时，成千上万的管道焊接接头需要 检测，为保证锅炉的安全运行，要求1 0 0 探伤，加之油、气输送管道等基础设施的 检测，可见检测工作量之大。发达国家对输油、气、给水管道等基础工业设施的检 测和维护十分重视。自上世纪6 0 年代丌始，美国和英国在政府的支持下，大学与科 研机构联合，投入数十亿美元开展管道检测技术的研究。 目前的管道检测方法主要是漏磁法、超声法、涡流法、射线法、磁粉检测法等。 常规的超声检测技术，采用的均为逐点检测的方法，即只能对传感器对应的部位进 行检测，对难以接近的管道系统，如有套管的管道或埋地的管道，则难以检测，且 无法实现数万公里的长距离检测。近年来，美、英等国投入巨资，在已有声学理论 的基础上，将导波理论应用到工程实际中，对超声导波检测技术进行研究并开发出 基于超声导波的检测设备，发展了管道检测技术。与传统的超声检测相比，超声导 波技术有两个主要特点：1 ) 由于导波可以沿管壁传播较远的距离而自身能量的衰减很 小，因此可以一次性检测较长距离( 根据管道本身状况的不同，最长可以达到1 8 0 m ) ； 2 1 超声导波在管壁的内外表面和中部都有质点的振动，声场遍及整个壁厚，因此可以 对管壁进行1 0 0 检测。应用超声导波检测管道具有快速、可靠、经济且无须剥离包 覆层的优点，因此管道的长距离快速超声导波检测研究近年来受到国内外无损检测 学者的极大关注，是管道检测技术发展的新方向。鉴于超声导波检测技术的巨大应 河北科技人学硕士学位论文 用价值，对导波理论和检测设备的研究开发具有重要的学术意义和应用前景。 1 2 研究历史和现状 1 2 1国外的研究历史和现状 国外对导波理论的研究较早，可追溯到1 9 世纪后期到2 0 世纪早期，由简单的 板中的导波理论发展到了复杂的管中的导波理论。2 0 世纪5 0 年代，美、英等国家开 始了对导波应用的研究，经历了从理论推导到实验验证的研究过程，并将其成功运 用到管道缺陷检测的实际应用中，开发出了超声导波检测设备。 1 9 世纪后期2 0 世纪早期，j r a y l e i g h 和h l a m b 研究了自由状态下的各向同性 板中弹性波的传播，首次推导出在平面应变假设下单层、各向同性自由板的 r a y l e i g h l a m b 超越方程，在已知板厚和弹性常数的情况下，该方程可用于确定在板 内传播的波的波数和频率间的关系，只能采用数值方法求解；c c h r e e 研究了弹性波 在无限长圆柱杆中的传播；a l o v e 和j r a y l e i g h 利用板壳理论，假设波为轴对称运 动，分析了波在空心圆柱壳中的传播；u n 等利用板壳理论，建立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；j g h o s h 在1 9 2 3 年 首先推导出波在空心圆柱壳中传播的线弹性解，得到了两个同轴圆柱体相套结构的 频散方程，得到纵向轴对称模态的数值解，而没有对解得正确性进行讨论和分析。 2 0 世纪中后期，w o l t e n ( 1 9 5 7 年) 研究了l a m e 波与板上的薄层缺陷的相互作 用，首先讨论了l a m b 波快速检测缺陷的可能性；d c g a z i s ( 1 9 5 9 年) 对圆柱空腔 中波在三维方向上的传播做了深入研究，推导出了理论模型的两种模态( 纵向拉伸 波和扭转波) ；v i k t o r o v 1 a ( 1 9 6 7 年) 研究了表面波和兰姆波的波动机理和基本物理 特性；a r m e n a k a s 等( 1 9 6 9 年) 详细讨论了圆柱壳中的弹性波传播理论，指出在管 线结构中存在许多种模态，并给出了在相速度频散曲线中可能出现的模态；d e b a l l 和d s h e w r i n g ( 1 9 7 6 年) 利用兰姆波检测到了薄板中的缺陷；s i l k 和b a i n t o n ( 1 9 7 9 年) 利用压电超声探头在热交换管道中激励超声导波，对裂纹检测进行了实验，证 明了利用超声导波技术对管道检测的可能性；k o y m e n h 和a t a l a r a ( 1 9 8 8 年) 利用 可聚焦的兰姆波成像系统，记录锥度角改变时，反射信号的幅度变化，从而得到各 种兰姆波模态对固体薄层表面缺陷的不同灵敏度，该成像系统可检测到极小的表面 缺陷；b r o o k 等( 1 9 9 0 年) 证明了利用轴向导波对管道进行检测的可行性；a l l e y n a 和c a w l e y ( 1 9 9 2 年) 研究了板中缺陷与l a m b 波的相互作用，并分析了模态转换现 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；d a h u t c h i n s 和 d e j a n s e n ( 1 9 9 2 年) 在薄铝板中，使用脉冲激光激励产生兰姆波，用两套专门设计 的电磁声传感器( e m a t ) 探测薄板中的兰姆波，并将接受到的信号用于晶相分析实 验，得出兰姆波的低阶a o 和s o 模态可用于检测并扫描成像薄铝板中的反常区域的结 2 一一 一 j 一- 。_ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ 一 第1 章绪论 论；d i t r i 等( 1 9 9 2 年) 指出导波模态的特征，如灵敏性和穿透力，很大程度上依赖 于模态出现的数量和频率。 近年来，英国帝国理工大学的1 o w e 等人在理论研究方面做了很多工作，开发出 了用于计算板和管中频散曲线的d i s p e r s e 软件。随着电子技术和计算机技术的迅速 发展，对纵向导波技术的研究更加深入，用u o ，2 ) 模态导波检测管道的技术已经比较 成熟。a l l e y n a 和c a w l e y ( 1 9 9 6 年) 已对该模态在焊缝、管接头处的反射进行测试， 证明了此模念可以在湿、干和外包层隔绝条件下沿管线传播几十米的距离，并研究 了u 0 ，2 ) 模态同管中缺陷相互作用后的反射状况，已经在导波管道检测实际应用方面 取得一定成功；h y e o n j s 和j o s e p h l r ( 1 9 9 9 年) 研究了有关在管道表面施加对称 和非对称载荷的影响，通过理论分析和试验验证指出在管道表面施加3 6 0 0 均布载荷 与1 8 0 0 均布载荷所产生出来的导波都是以l ( 0 ，2 ) 模态为主，并且二者区别不大； m i c h a e l j q 和j o s e p h l r ( 1 9 9 9 年) 利用梳状传感器环列实现了多模态导波的激励， 利用多模态导波技术检测了管道中的缺陷，利用所激发的u o ，3 ) 模态导波成功地检测 出了管道上的焊孔；j o s e p h l r 和x i a o l i a n gz h a o ( 2 0 0 1 年) 利用“弯曲模态调节技 术 对管道弯头处进行了检测。在导波的激励方式上，国外已经发展了在管道上周 向对称激励产生导波、利用梳状传感器在板上激励导波、利用相阵传感器阵列在管 道上激励单向导波等技术，英国的c a w l e y 和美国的r o s e 分别做出了各自的用于检 测的传感器阵列。 1 2 2国内的研究历史和现状 国内的超声导波检测技术方面的研究起步较晚，在相关领域的研究成果简述如 下。 刘镇清等( 1 9 9 9 年) 根据超声的发射、传播和接收模式，利用几何声学法对板 中传播的超声波信号进行了分析，并实验证明了该方法的科学性及在板的超声检测 中的应用；何存富、吴斌等( 2 0 0 1 年) 综述了无损检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、导波的激励和接受方法、 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； 武新军等( 2 0 0 3 ) 年对基于磁致伸缩效应的超声导波技术进行了研究，开发了磁致 伸缩超声导波检测设备。 1 3 课题来源及主要研究内容 课题为国家质检公益性行业科研专项资助项目( 1 0 5 2 ) ，主要任务是应用数值模 拟的方法深入研究u o ，2 ) 和x ( 0 ，1 ) 模态导波的特性，并构建导波检测平台进行试验研 究。本文内容主要包括： ( 1 ) 导波检测管道缺陷的关键技术研究对导波检测的基本原理、概念等进行简 3 河北科技大学硕士学位论文 单介绍；深入分析导波的频散、衰减和模态选择等特性，对导波的激励、传播、反 射等理论进行深入全面的研究。 ( 2 ) a n s y s 平台下的管中超声导波数值模拟方法研究将导波理论与数值计算 相结合，研究准确、有效的超声导波数值模拟方法，在a n s y s 中计算一定频率、模 态的超声导波在无缝直管和有缺陷管道中的传播情况，验证数值模拟的准确性和有 效性。 ( 3 ) l ( 0 ，2 ) 与t ( 0 ，1 ) 模态导波的特性分析应用数值模拟的方法，在a n s y s 程序 中构建管道模型，施加激励载荷，模拟u o ，2 ) 和t ( 0 ，1 ) 模态导波在无缝直管和有缺陷 管道中的传播和反射过程，分析“o ，2 ) 和t ( 0 ，1 ) 模态导波的各种特性，验证数值模拟 的有效性和实用性。 4 第2 章导波理论 第2 章导波理论 2 1 超声导波检测技术概述 2 1 1 导波的概念与分类 在无限均匀各向同性弹性介质中通常存在两种基本的波型，即纵波与横波。二 者分别以各自的特征速度传播而无波型耦合。当超声传播介质被局限在棒状或管状 的边界内，边界对超声波产生反复不断的反射，这样就能形成看似新的超声波类型 导波。 导波是由声波在介质中的不连续交界面间产生多次往复反射，进而产生复杂的 干涉和几何弥散而形成的。主要分为圆柱体中的导波及板中的s h 波、s v 波、兰姆 波和漏兰姆波( u w ) 等。 根据s i l k 和b a i n t o n 的理论，圆柱体中的导波分为轴对称纵向模式“o ，m ) 、轴对 称扭转模式t ( 0 ，m ) 和非轴对称弯曲模式f ( 0 ，m ) 。各模式中的整数m 是计数变量，反 映该模式在管壁厚方向上的振动形态；整数n 反映该模式绕管道螺旋式传播形态。 2 1 2 导波的激发原理 目前，超声导波的激发原理主要有压电效应、磁致伸缩效应等。按照导波激励 的产生方式不同，导波可分为超声波导波和磁致伸缩导波。 沿管道圆周方向传播的导波称为周向超声导波，沿管道轴向传播的导波称为纵 向超声导波。周向超声导波和纵向超声导波都可以用压电效应和磁致伸缩效应来产 生，并用其逆效应对这两种超声导波进行接收。 2 1 3 超声导波管道缺陷检测原理 导波在介质中传播时，如遇到孔洞、裂纹等界面不连续处，就会发生反射、散 射及模式转换等，产生携带结构缺陷信息的反射回波，对接收的信号进行处理，即 激 励 端 图2 - 1导波检测缺陷原理图 f i g 2 1 g u i d e dw a v en o t c hd e t e c t i o ns c h e m a t i c 5 河北科技大学硕士学位论文 可判断缺陷的位置。 两种介质分界面处对声波能量的反射值是由二者之间的声阻差决定的。声阻是 波速和介质密度的乘积，当波的传播速度发生变化时，就会引起波的反射和折射。 声阻之差越大，反射的能量就越大。根据反射回波能量的大小便可对缺陷尺寸进行 估计【1 1 。 假设距激励端处有一裂缝，接收端位于距激励端l 处，从激励到接收到回波 信号时间间隔为t ，纵波波速为c ，则可由公式l = 忙施+ l j 2 确定缺陷距激励端距 离。导波检测示意图如图2 1 所示。 2 1 4 检测灵敏度 导波的检测灵敏度用管道环状截面上的金属缺损面积的百分比评价( 目前的检 测水平可达3 ，即当缺损面积达到总截面积3 便可检出) 。导波检测软件提供了一 个“e c l ”( e s t i m a t e dc r o s ss e c t i o n a ll o s s ) 指标，用以判断金属缺损面积的百分比 ( e c l 包含两层意思，即总截面上面积的变化百分比和该缺损截面上面积的变化) 。 e c l 值的计算公式见式2 - 1 。 志孵一巧s i n q 耽2 2 丢矛 - 1 ) i 册彳一碱2i 式中，2 管道外径 r l 管道内径 g 扇形角度 2 2 管结构中导波的频散与衰减 2 2 1 导波的频散现象 超声导波在管道中传播时，由于受到结构几何尺寸的影响，使得管道中传播的 超声导波的速度将依赖于频率，当传播一定距离后，便会发生几何弥散，即超声导 波的相速度和群速度随频率的变化而变化，即频散现象【4 l ( 发生频敖后，导波的能量 1 衰减非常迅速) 。 2 2 2 管结构中导波的频散方程 空心圆柱体中导波的频散方程推导如下。 在各向同性弹性介质中，用位移场表示的运动方程见式2 2 ( 允+ ) v v w i v 2 “+ p 厂= p 擎 ( 2 - 2 ) 式中u 位移场 6 第2 章导波理论 厶弹性材料的l a m e 常数 p 弹性材料的密度 ，体力矢量 忽略上式中的体力矢量部分，n a v i e r 运动方程可写成 ( a 脚) v ( v “) - 比v x ( v “) ；p 害 ( 2 - 3 ) 利用亥姆霍兹分解定理，将位移场1 1 分解为对应纵向的压缩标量势和对应横向 的等容矢量势，表示为 u = v 驴+ v x , p ( 2 - 4 ) 将运动方程式表示为势函数的形式为 v 卜，v 2 9 ，- p 讣v h p 卦。 协5 ， 式中妒压缩标量势 砂等容矢量势 通过亥姆霍兹分解，可以将波动方程中膨胀波分量与旋转波分量解耦，得到包 含势函数的各向同性弹性介质中的波动方程式 式中c p 膨胀波波速 0 旋转波波速 设质点的位移分量为 v 2 妒。虿1 矿0 2 c p ， c d f v 劬；专警 c 一【” 咋= q ( r ) c o s n o c o s ( c o t + k z “p = 玑( r ) s i n n o c o s ( c o t + k z u ：= 致( r ) c o s n o s i n ( t o t + k z 式中z l r 、uo 、“广径向、周向、轴向位移分量 角频率 ，传感器中心频率 r 波动周期 k 波数 a 传感器激励的导波波长。 7 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 河北科技大学硕士学位论文 分析采用的势函数为 西一，( r ) c o s _ ，l 臼c o s ( 耐+ 拓) h ，= h r ( r ) s i n n o s i n ( t o t + k z ) h 日= h 8 ( r ) c o s n o s i n ( t o t + k z ) h ：= h 3 ( r ) s i n n o c o s ( a j t + k ) 式中痧与纵波对应的标量势函数 日与横波对应的等容矢量势函数。 势函数满足波动方程 v ：多。三粤 c ；o t 2 v z 日。三啤 边界条件为 ( 2 8 ) ( 2 9 ) t t r ri ，6 = o r l r - a , b ir - a m0 ( 2 1 0 ) 式中线弹性理论范围内的应力张量分量 将势函数代入波动方程求解并整理得 厂f ，= a z 。( 口，) + b 睨( q ，) 如( ，) 。4 z 。( 展r ) + 岛形( 屏厂) 2 啊一h r - h et 2 4 z 。钉( 岛，) + 2 琶形+ 。( 属，) 2 h 2 = h r + h e = 弛z 川( f l l r ) + 2 8 2 睨- l ( 触) 式中z n 、彤，b e s s e l 函数 、k 或修正b e s s e l 函数厶、商 、屈q = i a i = 等一k 2 、局= i 卢l 一等一七2 。p 。s 利用规范不变性，三个等容势函数中的一个可取零。令h 2 = o ， 出最终位移、应力分别为 “，2 厂+ ( 詈) 吃+ 克 c o s ，z 口c o s ( 研+ 乜) 叫一眇+ 地一卟m ( 耐刊 叫小巧一哗】c o s n o s i n ( ， 8 ( 2 1 1 ) 得h r he = h l ，得 第2 章导波理论 。 一a ( 口2 + 七2 ) ，+ 2 ，+ 手( i 一等) + 七暖】 c 。s 以8 c 。s ( n 蟮+ 乜) l “ * 芦