基于Ansys的弯管中导波传播特性研究【优秀毕业课程设计】
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基于Ansys的弯管中导波传播特性研究【优秀毕业课程设计】,基于,ansys,弯管,导波,传播,传布,特性,研究,钻研,优秀,优良,毕业,课程设计
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中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 中北大学信息商务学院 毕业设计说明书 基于 弯管中导波传播特性研究 学 生 姓 名： 郭智 学 号： 12020143 别： 机械工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 指导教师 : 周进节 职 称： 讲师 2016年 6 月 2 日 中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的毕业设计说明书，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究所取得的成果，除文中已经注明引用的内容外，本文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过 的科研成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 作者签名： 日期： 使用授权声明 本人完全了解中北大学信息商务学院有关保管、使用毕业设计说明书的规定，其中包括： 学院有权保管、并向有关部门送交毕业说明说的原件与复印件；学员可以采用影印、缩印或其他复制手段复制并保存毕业设计说明书；学院允许毕业设计说明书被查阅或借阅；学院可以学说交流为目的，复制赠送和 交换毕业设计说明书；学院可以公布毕业设计说明书的全部或部分内容。 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 于 弯管中导波传播特性研究 摘要 ： 为了利用超声波检测弯管的缺陷，研究了 L（ 0， 2）模态在弯管中的传播 特征 。通过 测验 得到了不同曲率半径的 90弯管中 L（ 0， 2）模态的传播 特征 。 L（ 0， 2）模在弯曲传播中 会呈现模转换现象，对应的衰减和色散现象的幅度，从而影响导波的传播距离和缺陷检测能力；随着曲率半径的增加， L（ 0， 2）的透射系数逐渐减小，同一弯曲管，激励频率越大，透射系数越小 。 关键词： 弯管；超声波； 中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 in To of of (0,2) in By of in a 90 (0,2) (0,2) in is a of L (0,2) of is ey 中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 录 摘要 . . 录 . 绪论 . 1 声导波研究的背景及其意义 . 1 商业应用技术 . 2 课题主要研究的内容 . 2 结 . 3 2 超声导波理论概述 . 4 声导波的概念 . 4 声导波的频散现象与多模态 . 5 波在圆柱管道中的传播 . 7 波检测的模态选择 . 9 结 . 10 3 弯管管道的建模 . 11 限元方法及 件的简单介绍 . 11 . 11 限元软件 析的基本过程 . 11 元的选择 . 11 陷的建立 . 12 格划分 . 12 义边界条件 . 13 模方式的选取和分析类型 . 13 处理 . 13 含缺陷的弯管管道的建模 . 14 缺陷的弯管管道的建模 . 18 中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 具体的参数设置 . 18 体建模过程 . 18 结 . 23 4 仿真结果分析与讨论 . 24 缺陷管道运行结果 . 24 含缺陷管道的运行结果 . 30 结 . 32 5 结束语 . 33 6 总结 . 34 参 考 文 献 . 36 致 谢 . 38 中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 1 1 绪论 声导波研究的背景及其意义 管道运输业在现代社会中起着重要的作用，管道作为五大运输工具之一，在运送液体、气体、浆液等方面具有特殊的优势。在石油、化工、热电、供水及供热等厂矿中，许多管网来输送水等液体介质，而弯管是管道系统中不可或缺 的部分。 中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 2 商业应用技术 目前 ,能够提供管道导波检测设备的公司有英国 司和英国 司 1。其中 ,英国 司的技术为用于在线检测管 22 2006 道的 术。英国 ) 公司的为 M。传感器有固定卡环式和气囊模块式 ,固定式适合于 2 4 英寸 ( 1 英寸 = 2514 管道直径 ,对于大直径的管道 ,采用模块组 合的方法 ,将探头的键状模块组合到管道直径的尺寸。对被检测到的金属损失的范围和环向方位进行判断 2。 也能提供纵波和扭波 2 种模态 ,在沿管的每个方向可作 50m 的 100%全管道检测。 课题主要研究的内容 （ 1）学习掌握有限元基本理论及 件的使用方法。 （ 2）弯管中超声导波传播特性理论研究及模态转换现象分析。 （ 3）研究在弯管端部轴对称加载 L(0,2)的方法，可视化弯管中导波的传播规律，并模拟研究弯管曲率半径对导波传播结果的影响。 （ 4）数值模拟轴对称 L(0,2)模态导波在含单个缺陷的 90 弯管中的传播特性，为实际工程检测提供理论指导。 中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 3 结 本章首先介绍了管道超声导波检测的研究背景及研究意义。分别对工业应用技术和商业应用情况进行了了解。通过对文献的综述了解了超声导波的发展历史。目前主要的研究成果及未来研究的发展趋势，然后简单介绍了本文的主要研究内容。 中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 4 2 超声导波理论概述 声导波的概念 三维均匀固体中自由传播的波称为体波。假设均匀固体是有边界的 。 当固体弹性特性没有 改变时，体波就会反映在上、下边界，以及沿波导传播的方向，从而形成超声导波。 典型的波导结构有板状导波，圆柱状导波和圆管状导波。板状导波中的超声导波主要有 和 。纵向模式导波（ L 模式）、扭转模式导波（ T 模式）和弯曲模式导波（ F 模式） 。 空心管中导波模态示意图 图 模式导波接收波形 图 速度与相速度的关系 又如图 的波形 a 为超声发射与接收探头在一定距离时得到的一个导波波形，当两探头的间距加大 l 后波形的包络明显的向后移动一段时间 波形的等相位点相差时间为 程上，就可借此粗略地估计这种模态导波在图 2示超声波频率附近的相速度 群速度 中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 5 声导波的频散现象与多模态 导波和体波最大的不同就是导波是频散的，即波导中传播弹性波的速度随频率的不同而改变，这种现象称之为频散，在某以特定频率处存在几种模态的波。图 示为外直径 厚 管道内 L（ 0， 2）模态导波传播情况的数值模拟波形。信号变宽为分析有用的信号带来了很大的困难，幅度的减小降低了检测的灵敏度，使得信号特征的识别与提取变的困难并由此导致检测结果的失真 ，因此，需要尽量避免或者抑制频散现象的出现 35。 多模态的存在似的问题更加复杂化。对于超声导波，频散曲线通常用来表示导波模式和频率 、 速度之间的关系。对于板波来说，其频散曲线是通过求解如下超越方程而得出的 。 中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 6 对上述的两个方程求解就可以得到相速度和频率的关系，对于同一频率 可以求出不同的相速度 们分别对应着导波的不同模态，另外利用前面给出的群速度与相速度的关系可以求出群速度。 对于管道中的超声波来讲，其频散方程则是如下形式 中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 7 求解该方程就可以得到相应的相速度和群速度曲线。 以下是导波频散特性 的一些终于性质： （ 1）对于空心圆柱中的导波来说，存在两张轴对称模态 L（ 0， 1）和 L（ 0， 2），还有许多的非轴对称模态 F（ n,1）、 F（ n， 2）和 F(n,3),其中 n=1,2, . 轴对称型的 L（ 0，1）和 L（ 0， 2）具有与 相似的特性 42。 （ 2）当频率再升高时，则 会演变为板的表面波；而 L（ 0， 1）和 L（ 0，2）则会相应的演变为管道的表面波，表面波是 L（ 0， 1）和 L（ 0， 2）在高频时叠加的结果 4350。 （ 3）如频散曲线的横轴为频率和厚度的乘积时 ，则当板的厚度或管道的壁厚增加一倍而频率减小一倍时，对于 来说其速度不会变化，而对于空心圆柱中的导波来说其速度变化很小。 波在圆柱管道中的传播 管内导波的产生和传播受到实验频率、激振角和管壁厚度 等条件 的限制。 在纵向模态中，圆柱 体 的各个单元作伸展和收缩运动，但不会出现轴线的横向位移。在扭转模态中，圆柱体的每个横截面都保持原来的平面不变，并围绕它的中心旋转，其轴线未被扰动而保持原装。因此，纵向模态 L（ 0， m)和扭转模态 T（ 0， m)可以认为是轴对称的 51。而弯管模态中，圆柱体轴线的各单元作 横向运动，故弯曲模态 F（ n,m）被认为是非轴对称的 10。图 出了各导波模态在圆柱状钢棒中传播的位移形态示意图。 图 导波模态在圆柱钢棒中的传播的位移形态示意图 中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 8 波在圆柱管道中管道传播比板中的 传播要复杂的多，为了建立管道中导波的传播方程，从理论上推导出管道的频散曲线，针对空气中的空心圆柱体问题，基本假设如下：建设管道是轴对称且无限长的，如图 2示； 图 限长无应力空心圆柱壳 （ 1） 假设导波是连续的，具有实频的能量有限信号。 （ 2） 假设管道的周围介质是真空。 在 这种情况下，在内外表明上没有位移限制，而法向应力和两个切向应力在界面上变为零，即在内半径为 a,外半径为 b 的两个边界上，边界条件为： 在管道内导波的传播，质点的位移场 U 必须满足 移平衡方程： 式中 材质的 数 材质的 数 同板中的情况一样，经过 解，位移场分为纵波及横波两分量的形式： 中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 9 假设质点的位移分量为 波检测的模态选择 在理想的情况下 ,希望在管道中仅产生单一模态的导波 ,若导波遇到缺陷产生反射 ,所得到的回波 将较容易分析。对于纵向轴对称 L( 0 , 2) 模态而言 ,从频散曲线图中 可以看中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 10 出它主要有以下特点 : 第一 ,在相当宽的频率范围内 ,该模态几乎非频散 ; 第二 , 该模态传播速度最快 ,任何不希望出现的模态信号都在其后到达 ,易于在时域内识别 ; 第三 ,对于 T( 0, 1)模态 ,频率在 0 100 ,相速度、 群速度无频散 , 且在 20群速度最高 ,不易受其他模态信号干扰 ,亦成为目前关注较多的导波模态。 结 在本章中，我们介绍了导波的基本概念和分类，导波群速度和相速度 ，导波的多模和色散特性。研究了空心圆管中的导波理论。得到了圆柱形导波在空心圆管中的色散方程。三种不同的导波模式进行了分析，并列举了它们的特点。最后介绍了管道超声导波检测的基本原理和如何选择导波检测的模态。 中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 11 3 弯管管道的建模 限元方法及 件的简单介绍 超声导波检测常用的数值仿真方法包括：有限差分方法 (边界元方法 (有限元方法 (半解析有限元方法 (，其中以有限元法应用最为广泛，边界元方法次之 61。 目前 经成为 机械、航空航天、生物医药等领域进行国际国内分析设计技术交流的主要分析平台。 件分析的简单介绍 限元软件 析的基本过程 有限元软件 具体分析过程分成三个部分：前处理、求解计算和后处理。在前处理阶段可以对需要做分析的工作的文件名进行定义，接着需要选择合适的单元类型，定义一些实常数和材料特性 ,然后建立分析用的几何模型，并对几何模型进行网格划分，最后是给出模型的施加荷载及约束。进行各种后续的分析运算 。 具体到超声导波管道检测的有限元模拟其具体的流程图如下所 示： 元的选择 从流程图中可以看出数值模拟的第一步是定义单元类型和选项。一它们各有优缺中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 12 点，在建模时可以根据具体的情况选用最合适的单元类型。平面单元 二维单元对管道的简化过大，在轴向拉、压载荷作用时可作简化模型进行计算，以便减小计算量，节省计算时间。而在超声导波管道检测的有限元模拟中由于简化过大一般不考虑采用； 虽然是 元，具有厚度实常数，因此 ， 用实体单元建模的管道计算，通常比同尺寸的壳单元管道模型或者平面 单元模型要多占用 10 倍以上的内存空间，以及付出 68 倍的计算时间 在综合考虑了模拟的真实性和计算量等因素的前提下，本研究拟采用壳单元 元作为管道建模时的单元类型 6770。 陷的建立 由于本研究中主要针对有缺陷管道进行有限元分析，所以在建管道模型时要选择适当的方法简化计算。利用 限元分析，在管道模型上建立缺陷主要有三种方法 62：第一种是采用 /杀死 0 单元的方法，该方法首先建立无缺陷管道，并对管道划分网格，然后将缺陷处的单元 /杀死 0，这种方法的优点是简单易用、容易操 作，但是该方法涉及到了单元的生死问题，计算过程中需要启动非线性计算，可能导致无法控制计算时间 ,严重的甚至会发生计算不收敛。因此一般不采用此法；另外一种建立缺陷的方法思路完全不同，即直接在几何上建立一个存在缺陷的管道，然后再对其进行网格划分。但是，这种方法在划分网格时，有些单元可能会发生一些畸变，需要比较高的网格划分技巧；第三种方法则是首先建立一部分管道，将缺陷及缺陷附近的一个规则区域预留出，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。这种方法可以防止非线性的出现 ,比较可靠，实际情况中，缺陷模拟方法 将根据具体情况灵活选取，本模拟中采用第三种方法构造有缺陷管道的有限元模型。 格划分 管道几何模型建立以及所采用的单元确定之后，就将对管道模型进行网格划分。网格的划分应当尽量规整，单元尺寸也要适当。管道的环向划分份数将由实验管道的环向布置的传感器哪 个数决定，如果传感器个数为 n，则环向划分份数为 n 的 1 到 3 倍。轴向单元长度也要选取适当 ,如果单元过大则无法有效模拟载荷传播，过小则计算量偏大，因此，轴向单元划分需要根据模型的力学特性参数 !几何参数和导波特性等来确定。如果激励信号为一组中心频率为人的窄带 音频叠加信号，波速为 C，波长 =C/f ，则最大单元长度 。 中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 13 义边界条件 将建立的管道有限元模型划分完网格就需要定义载荷类型和约束条件。施加的载荷下面会单独介绍，这里先介绍一下给定的约束条件 在实际的检测时，由于绝大部分管道有包覆层 ,而且被埋于水下、土壤或其他物质当中。这些因素都使得管道的边界条件非常复杂，但是本研究中，对于管道缺陷进行的是定量研究，所以希望边界条件能够越简单越好，以便尽量排除其他影响因素的干扰，而关注于缺陷与缺陷回波之间的关系。考虑到真空边界是一种最简单的情况。 故而，本研究中的用于模拟计算的所有模型，均采用真空作为边界条件，从而便于分析超声导波对管道缺陷的检测能力。 模方式的选取和分析类型 件非常人性化提供了两种不同的建模方式：一是种通过 界面交互式的手动的建立模型。通过 界面交互式的手动的建立模型，这种建模方法的优点是建模过程非常直观，在建立简单模型时比较方便。但是，如果模型比较复杂或需要对模型进行多次修改该建模方法就表现出建模过程较长、操作相对较复杂 !模型参数的修改不方便以及建模过程可移植程度差等缺点；而通过 言可编写功能强大的建模与仿真命令流程序，这种建模过程则大大增强了 建模能力以及模型的可移植性。由于 言语法简单、修改方便、功能强大，而本研究中需要对不同尺寸的管道进行建模，故选用参数化程序设计语言建立缺陷管道模型。 在进行完上述步骤以后，就可以选择有限元分析类型了，在这里要模拟超声导波在管道中传播需要选用的分析类型为瞬态动力学分析。选定的分析类型就可以利用行分析计算了。 处理 对于后处理过程 ,在有限元模拟超声导波管道检测时，主要利用两种方式来进行呈现计算的结果 。 我们可以看到当管道存在缺陷时，导波传播到缺陷处发生反射 !散射等现象，其中携带了缺陷处的具体信息的反射回波，我们可以通过接收端接收。但是，这些具体信息在动画过程中体现不出来。因此，这种方式对于我们利用有限元数值模拟研究超声导波管道检测只能起到定性研究的意义，而对于我们对管道缺陷位置确定等定量的研究帮助作用不大。 还有一种方式是选取管道模型上的任意节点 ,观察它随时间的变化，自身位移的变化中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 14 过程，利用两者的关系 ,绘制成曲线。然后，我们可以根据选定点的位置，利用所绘制的曲线 ,研究管道的损伤情况，以便确定缺陷的轴向 位置和缺陷的大小。选用的不同的节点，如果他们的轴向位置不一样，得到的结果也不相同，对比研究也没有太大价值，而且利用轴向位置不同的节点所得到的结果分析起来的复杂程度也不一样。一般来说，选用管道上施加载荷的一端 (也就是激励信号施加端 )的节点分析起来最为简单。为了方便，本研究中选用管道施加载荷一端的节点，利用其位移随时间的变化来研究。 如图 示的是管道超声导波有限元模拟以后 ,选用施加载荷一端的节点，利用其位移随时间的变化绘制出来的波形图。从图中可以看到第一个波包是施加的激励信号的波形，第三个波形幅值很多应该 是管端的回波，而中间的波形有可能就是缺陷所反射出来的回波。这样我们就可以利用接收到回波信号的时间和波速做运算就可以得到导波运行的距离。这个距离是导波传播到缺陷，再由缺陷反射回来的距离，因此这个距离的一半就是缺陷处距离施加载荷一端的长度。 含缺陷的弯管管道的建模 （ 1）通过设定 4 个点并连接来确定弯管的中心轴线，分别为 （ 2）以 左端点为端面确定弯管的直径； 中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 15 （ 3）以建立的端面为标准，沿中心轴线进行拉伸，建立弯管模型； 中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 16 （ 4）对弯管的组成线条进行划分，平均分成 N 份； （ 5）对弯管进行单元划分； 中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 17 （ 6） 在弯管端面加载激励信号。 中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 18 缺陷的弯管管道的建模 体的参数设置 200 10 50 !管外径 H= !壁厚 !网格长度 !* 5000 !of !of 0 !of !of , !定义单元类型 mp, !输入弹性模量 mp,7932 !输入密度 mp, !输入泊松比 r,1,H !单元实常数 m 为单位 - !裂纹中心距端面距离 80 !裂纹起始角度 100 !裂纹终止角度 !* 体建模过程 （ 1） 通过设定 4 个点并连接来确定弯管的 中心轴线，分别为 中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 19 （ 2）以 左端点为端面确定弯管的直径并以该端面沿中心轴线进行拉伸，建立弯管模型； 中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 20 （ 3） 确定缺陷位置； （ 4）对弯管的组成线条进行划分，平均分成 N 份； 中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 21 （ 5）对弯管进行单元划分； （ 6）对弯管加载激励信号。 中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 22 中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 23 结 本章首先介绍了超声导波数值模拟中的有限元方法和 后主要介绍了商用有限元软件 基本建模过程，并针对本研究中管道建模的具体步骤进行了详细的介绍，给出了建模中具体参数的选取规则。最后介绍了本研究 中有限元模拟的前期准备工作与建模的详细过程。 中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 24 4 仿真结果分析与讨论 缺陷管道运行结果 率半径为 0,4 时，运行结果如下： 0 500 1000 1500 2000 25001 000 1000 1500051015202530354045T i m e ( u s )中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 25 初始激励信号峰峰值： 面波包信号峰峰值： 射系数： R =直管、和弯管比较： 弯管会导致模态转换现象，在 弯头处会分成两个模态，从而导致波包展宽。比较，直管 无频散、多模态 通过对计算结果的分析，明显看出导波经过弯管弯曲部分时导波的周期变多，说明发生了频散现象。弯头处发生模态转换现象。 为了利用超声导波检测弯管中的缺陷 , 研究了 L (O, 2) 模态在弯管中的传播特性 . 通过实验得到了不同曲率半径的 9 0 弯管中 L (O, 2) 模态的透射系数 . 0 500 1000 1500- 0 . 4- 0 . 3- 0 . 2- 0 . 100 . 10 . 20 . 30 . 4T i m e ( u s )中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 26 2. 光管，曲率半径为 ，运行结果如下 ： 0 500 1000 1500 2000 25001 000 1000 1500051015202530354045T i m e ( u s )中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 27 0 500 1000 1500- 0 . 4- 0 . 3- 0 . 2- 0 . 100 . 10 . 20 . 30 . 4T i m e ( u s )初始激励信号峰峰值： 面波包信号峰峰值： 射系数： R = 总结：对于曲率半径 R=射系数： R =对于曲率半径 R=射系数： R = 通过对计算结果与上一个相比较，说明曲率半径越大，反射系数就越大。 随着曲率半径的减小 , L (0 , 2) 模态的透射系数逐渐越小 . 中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 28 3. 直管的运行结果 0 500 1000 1500 2000 2500 30001 0016届毕业说明书 29 0 500 1000 1500051015202530354045T i m e ( u s )0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800- 0 . 4- 0 . 3- 0 . 2- 0 . 100 . 10 . 20 . 30 . 4T i m e ( u s )初始激励信号峰峰值： 面波包信号峰峰值： 北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 30 反射系数： R = 初始激励信号： 面波包信号： 的传播速度： 道的测量长度： (2*管道的实际长度： 差：（ *100=现在选的激励模态及 频率处，不会导致频散和多模态现象，直管波包无展宽现象，说明直管中无模态转换现象。 含缺陷管道的运行结果 0 500 1000 1500 2000 2500 30001 0016届毕业说明书 31 0 500 1000 1500051015202530354045T i m e ( u s )0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800- 0 . 4- 0 . 3- 0 . 2- 0 . 100 . 10 . 20 . 30 . 4T i m e ( u s )V = 陷时间： ( 2 = 北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 32 端面时间： ( 2 = 陷位置为：（ *差： 00=通过计算结果与实际结果的比较，可以发现，用超声导波可以精确的找到缺陷位置，说明 超声导波技术在弯管检测方面有很高的利用价值。 结 通过实验方法得到了 L(0， 2)模态在直管和弯管中的传播特性。随着曲率半径的增大 ,L(0,2)模态的透射系数逐渐减小 ， L（ 0,2） 的 模态转换和衰减的模式是曲率半径弯头的激振频率有关，并能准确地判断出缺陷的位置。 中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 33 5 结束语 到了这个临近毕业的时候，毕业设计也接近尾声。经过这几周的努力我的毕业设计也终于完成，在还没有做这个毕业设计之前我还以为是对这大学四年所学进行一下总结，但是通过这次的设计，我才知道自己的想法太 片面。毕业设计不仅仅是对你大学四年所学的检验，而是对自己各方面能力的提高。通过这次的毕业设计，我才知道自己所学的知识还远远的不够，还要学的东西还有很多很多。之前还以为自己什么都会，眼高手低，以为自己什么都可以做，通过这次的毕业设计，才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的生活、工作中，都应该处处的虚心学习，提高自己的综合素质和能力。 总之，万事开头难，不管有多大的困难，只要有足够的恒心和毅力，咬紧牙关，坚持到底，就一定能够一往直前。另外，还得出一个结论就是：知识必须通过应用才能体现它的价值，学会了不 等于是会用的了，所学致用才是真正的学会了。 中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 34 6 总结 管道超声导波检测技术是一种新兴的管道缺陷检测技术，而针对该技术的研究工作需要多门学科交叉、融合，其中包含了声学、力学、压电理论、电子电路技术、信号识别和处理技术以及计算机技术等许多方面的学科内容。但是就国内情况来看目前在管道的超声导波检测领域才刚刚起步，尤其是专门针对海底管道的超声导波检测的相关研究还非常少。本文主要工作内容如下： (l) 本文综述了国内外超声导波技术研究的历史。目前的的应用研究现状及将来的发展方向，侧重从超声导 波理论研究、数值模拟二个方向进行了概况总结，其中着重对管道超声无损检测领域的研究现状进行了分析，较为全面了解管道超声导波检测技术。 (2) 建立了基于商用有限元软件 管道超声导波检测数值模拟建模的基本过程，主要包括 :有限元计算的基本流程，建模的基本步骤及建模过程中单元选择，网格划分的基本原则。 (3) 利用有限元方法 ,通过有限元软件 立不同管道的模型并模拟了利用不同模态、不同频率、不同周期的导波在有缺陷管道中进行检测的过程，构成了一种参数化数值模拟技术，分析了导波的周期 !导波频率 ! (4) 数值模拟结果表明 ,管道缺陷轴向定位误差较小，管道的损伤程度与缺陷回波的反射系数成正比关系。 通过上述研究 ,对管道超声导波检测有了更加深入的了解 ,但是还有许多问题需要进一步探索 ,归纳如下： (1) 本文主要针对没有外包层的直管进行超声导波缺陷检测，而实际的工业用管道绝大多数都有外包层，为了进一步还原实际检测的环境，需要对带有外包层的管道进行研究。另外，实际的工业管道不都是直管，还有部分管道式弯管 ,需要进一步研究。 (2) 本文研究中将管道内设为真空，而实际检测中 ,很多情况下需要对正在工作的管道进行检测，因 此，接下来需要对内部充液的管道进行超声导波检测的数值模拟研究。 (3) 本文对管道超声导波检测的数值模拟研究做了大量工作，而由于实验条件限制，只有一小部分数值模拟结果利用实验检测进行了验证。为了研究的科学性 !严谨性还需要进行大量的验证实验。 总体来说，超声导波管道检测的相关研究内容有很多，本文仅仅是围绕数值模拟和中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 35 原理实验两个方面展开了研究，但还有许多研究工作需要做，衷心希望今后在管道超声导波检测领域中能取得更多成果。 中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 36 参 考 文 献 1 臧铁军，藏天红， 我国管道运输的发展概况，管道技术与设备， 1998， (4)： 2 王霖，我国管道运输已成为五大运输行业之一，石油消息， 1995 年 6 月 7 日 3 黄松龄，李路明，张家俊，在役管道漏磁检测装置的研制，无损检测， 1999， 21(8)： 3444 王玉忠，陈建兰，漏磁检测技术在我国管道中的应用，工化学清洗， 19 98， 14(5)： 48- 50 5 陈积懋，管道无损检测与评价技术，状态检测与分析， 1997， 18(1)： 596 李永年等，国内外埋地管道腐蚀状况物理检测 技术现状，岩土工程界， 2000， 3(9)： 4345 7 M A C of 1969 8 J J J L of in by J 1992， 72(7)： 2589,- 2597 9 D N P 1992， 39(3)： 38110 J L W in 1998 998： 885 888 11 Y J L A a on of 999： 2097 2109 12 X L in a 2003， 40： 264 13 X J L a 004 23： 134 14l 14 D N E 990： 1143 1146 15 of 2000： 709 中北大学信息商务学院 2016届毕业说明书 37 716 16 N S of 2000,19： 1175 1181 17 B R K ct or in 1979： 24618 M G K F in of to 1979， 17(1)： 1119 M V E of by 1980， 9： 24320 D N in 1996， 15(1)： 0 21 D N M J S P of 1996， 15： 185922 P 5e of 1996， 34： 28723 D N E in 1997， 53(4)： 50424 M J S D N P in 1998(36)： 14725 D N M J S E of in 998， 65： 635 中 北 大 学 信 息 商 务 学 院 毕业设计开题报告 学 生 姓 名： 郭智 学 号： 12020143 名 ： 机械 工程系 专 业 ： 机械设计制造及其自动化 设 计 题 目 ： 基于 件的弯管中超声导波传播 特性可视化研究 指 导 教 师 : 周进杰 2016 年 年 3 月 22 日 开题报告填写要求 1开题报告作为毕业设计答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计工作 前期内完成，经指导教师签署意见及所在系审查后生效； 2开题报告内容必须用按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见； 3学生写文献综述的参考文献应不少于 15 篇（不包括辞典、手册）。文中应用参考文献处应标出文献序号，文后 “参考文献”的书写，应按照国标 714 87文后参考文献著录规则的要求书写，不能有随意性 ； 4 学生的“学号”要写全号（如 02011401不能只写最后 2 位或 1 位数字； 5. 有关年月日等日期 的填写，应当按照国标 7408 94数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“ 2016 年 3 月 15 日”或“ 2016 6. 指导教师意见和所在系意见 用黑墨水笔工整书写，不得随便涂改或潦草书写 。 毕 业 设 计 开 题 报 告 1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述： 文 献 综 述 1 景 近几年 , 长距离管道超声导波无损检测技术取得了很大的进展 1 3 。沿管壁传播的超声导波常 用于检测直管中的腐蚀坑、裂纹等缺陷。该方法能够实现快速检测 , 并且能够用于难以接近的管道系统的检测。实际上 , 管道系统主要由直管和弯管组成。超声导波在直管中的传播特性研究相对较多 , 然而在工程应用中 , 常需要检测带有弯头的管道系统。管道的弯曲部分由于结构的变化 , 在一定程度上影响导波在管道中的传播 , 进而影响到对缺陷的检测。人们利用有限元的分析方法对超声导波在弯管中的传播进行了初步研究 ,认为当 L ( 0, 2) 模态在经过管道的弯曲部分时会产生模态转换现象 , 并且该模态穿过弯曲部分的透射系数与激励频率、弯 头曲率半径和弯头长度 有关。但利用管道超 声导波技术对弯管中不同部位缺陷检测的文献则相对较少。本文主要通过实验方法 , 利用超声导波技术检测弯管中不同部位不同类型的缺陷 , 并对多缺陷的检测进行了初步研究 , 从而为利用超声导波对工程实际中弯管的缺陷检测进行一定的探索研究。 的与意义 管道被认为是传输能量的最为安全经济的方法。然而 ,象所有的工程设备一样 ,管道也可能发生故障 ,近年来 ,有许多管道发生事故 ,引起世人关注。例如 ,1993 年委内瑞拉一条气管道发生泄漏 ,气体爆炸 , 烧死 51 人 ; 1994 年美国新泽西州的一条管道泄漏 ,造成火灾 ,致使 1 人死亡 51 人受伤。近年来还有其他一些国家如俄罗斯、巴基斯坦、加拿大和英国等国家的管道发生事故的报道 。我国的管道也曾不同程度地发生各种事故 , 据不完全统计 , 截至 1990 年 ,我国仅输油管道在近 20 年时间里 ,共发生大小事故 628 次 。天然气管道也曾多次发生事故 ,后果更为严重 ,给人民生命财产造成严重损失。特别是管道泄漏造成了严重的环境污染 ,其间接影响产生事故的可能性呈图 1 所示的关系 。由此可见 ,管道投入运行的早期 和后期 是事故的高发期 ,特别是服务后期 ,管道事故发生的可能性随着服务期限的增加急剧增加 ,而我国多数管道服务都已有 20 多年了 ,到了事故高发期 ,我们必须尽快采取有效措施 ,最大限度地减少事故的发生。 内外发展趋势 一、 国外管道检测情况 由于管道安全具有特殊的重要性 ,管道发达的西方国家早在五六十年代就开始了管道检测技术研究。 1965 年国际著名的管道检测公司 (称 B G) 第一次采用漏磁检测器对其管辖的一条直径为 600道成功地进行了内检测 。此后 ,采 用各种先进技术的新型检测器不断问世 , 特别是 80 年代末 90 年代初以来 ,计算机技术的飞速发展为研制高效新型检测设备提供了强有力的技术保证 ,检测器体积不断缩小 ,技术含量越来越高 ,检测器的效率和可靠性也有明显改进 ,它们为保证管道的安全运行、减少管道事故造成的危害和损失发挥了重大作用。 基于对安全、经济、环境等各方面因素考虑 ,各国政府对管道内检测越来越重视 ,许多国家都制定了相应的管道检测法规。例如 ,1988 年 10 月美国国会通过了管道安全再审定条例 ,要求运输部研究与专业计划管 理处 ( 制定联邦最低安全标准 ,以使所有新建及更新管道都能适应智能内检测器检测的要求 ; 加拿大标准协会已制定出管道内检测器用于危险性液体和气体管道的标准 ,加拿大国家能源委员会 1995 年打算采用这些标准 ,作为法规条例 , 强行实施管道内检测 。不仅如此 ,他们还根据管道所处的不同特殊状况 ,定期对管道实施再检测 ,及时准确把握管道状况 ,从中找出管道腐蚀的特殊规律 ,从而对管道未来状况做出科学分析预测 ,并根据管道完整体系规范对一些严重缺陷及时修复 ,真正做到防患于未然。 二、国内管道检测 现状及我们的对策 我国石油天然气管道工业自 70 年代以来有很大发展 ,据不完全统计 ,目前我国拥有各种油气长输管道近 20 000管道安全问题也越来越引起有关部门的重视。 80 年代以来 ,开始进行管道检测器的研制开发工作 ,取得了一些成果。同时 ,也陆续从国外引进了一些先进的检测设备 ,对几条原油管道成功地实施了内检测 ,取得了令人满意的检测结果。例如 , 1996 年 10 月为新疆的一条 136的 273 管道实施内检测 , 检测出 415上深的腐蚀点 213以下 的腐蚀点 307 处 , 经开挖验证 , 检测结果准确可靠 ,为管道大修提供了科学依据。尽管如此 ,我们和世界先进水平相比 还有较大差距 ,管道检测工作尚属起步阶段 ,已检测的管道数量不足管道总量的 1/ 10 ,而且尚未对任何管道进行再检测。由于各方面原因 ,某些管道经营管理者对管道检测的重要性认识不足 ,没有充分认识到管道事故的危害性。我们要加强管道检测重要性的宣传 ,政府有关部门应尽快制定管道安全检测有关法规 ,根据优选方案制定全国管道检测计划 ,力争尽快对全部管道实施内检测 ,并且定期进行管道再检测 ,建立管道检测信息数据库 ,从中找出各条管道的腐蚀规律 ,从而对管道现状及未来安全状况做出科学预测 ,采取有效措施 ,避免管道事故的发生。同时 ,还要加快智能检测器的国产化步伐 ,尽快赶上国际管道检测先进水平。 限单元法的简介 有限元方法也叫“有限单元法”或“有限元素法”，这种方法源于机构分析，有结构力学的位移法发展而来。 有限单元法的基本思想是将物体离散成有限个且按一定方式相互联结在一起的单元的结合，来模拟或逼近原来的物体，进而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题 求解的一种数值分析方法。物体被离散后，通过对其中各个单元进行单元分析，最终得到对整个物体的分析。网格划分中每一小块体称为单元。确定单元形状、单元之间相互联结的点称为节点。单元上节点处的结构内力为节点力，外力（有集中力、分布力等）为节点载荷。 有限元法的优点很多，其中最突出的优点是应用范围广。发展至今，不仅能解决静态的、平面的、最简单的杆系结构，而且还可以解决空间问题、板壳问题、结构的稳定性问题、动力学问题、弹塑性问题和粘弹性问题、疲劳和脆性断裂问题以及结构的优化设计问题。而且不论物体的结构形式和边界条件如何 复杂，也不论材料的性质和外载荷的情况如何，原则上都能应用。 管的研究现状 为了达到对管道状况有全面准确的了解 ,防止管道事故的发生 ,长期以来人们为此研究开发了许多方法和技术 ,使管道检测水平不断提高。管道检测根据检测设备所处位置不同可分为管道外检测和管道内检测两大类。所谓外检测是将检测设备放在管道外部来了解有关管道的情况 ,例如对管道的防腐层和水下埋深情况的探测 ;而内检测是指将检测器放在管道内 ,通过管道中的介质在检测器上的皮碗前后形成 的压差使之在管道中随介质运动 ,检测器将管 道情况信息采 集并存储起来 ,然后 ,利用计算机对记录到的管道信息进行分析 ,从而了解管道的状况。该方法可用于检测管道的变形、腐蚀 和缺陷等。本文主要讨论管道腐蚀内检测 ,由于该检测方法采用了先进的计算机技术 ,利用计算机程序辅助人们对采集到的信息进行分析 ,大大提高了分析的效率和可靠性 ,人们将这种检测器称为智能检测器。 早期人们采用水压试验方法对管道进行检测 ,该方法只能证明水压试验时管道哪些部分不能承受试验压力 ,它不能提供管道的详细信 息 ,并且水压试验需要停输进行 , 检测成本较大。而利用智能检测器进行检测 ,是 在不停输的情况下检测管道状况 ,不仅成本低而且可靠性高。目前常用的内检测器主要有基于超声波原理的检测器和基于漏磁原理的检测器两种。前者利用超声波直接测量管道壁厚 ,从而发现管道由于腐蚀等原因导致的壁厚变化 ; 而后者是通过检测器上的磁铁将经过的那段管道磁 化 ,磁力线在管壁中通过 , 但当管道上有缺陷时 ,该缺陷所在之处的磁通量发生泄漏。检测器根据这一原理将管道上各处磁通量泄漏情况 记录下来 ,经分析后可确定管道状况。前者的优点是准确性高 ,但要求在检测前彻底清除管壁的蜡 ;后者对管道清洁状况要求相对较低 ,比 较适合我国原油含蜡较高的特点 ; 但检测精度和超声波检测器比较相对低一些 ,且对检测管道上的轴向裂缝有一定困难。但
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