弯曲模态在管道中的传播特性及缺陷检测数值模拟

论文摘要

超声导波由于具有传播距离远、检测范围广等特点,被广泛应用于压力容器、航空行业、油气管道等领域的结构无损检测。但超声导波具有多模态及频散等特点,特别在管道中模态数量较多,且以波动特性也是最为复杂的弯曲模态为主,使得在检测过程中信号识别困难、误差较大。由于弯曲模态固有的波结构属性,其对某类缺陷和管道结构径向应力等的检测较为敏感,但是弯曲模态在实际应用中难以控制,故研究弯曲模态导波单模态激励方法,并应用弯曲模态导波进行无损检测,具有重要的现实意义和广阔的应用前景。本文对弯曲模态的传播特性进行了模拟分析。利用有限元软件ABAQUS模拟弯曲模态在管道中的传播特性,分别对不同频率激励的弯曲模态在管道中的传播特性以及弯曲模态在4种不同尺寸的管道中的传播特性进行了数值模拟,分析了在不同频率和接收点时导波模态的传播特性以及能量衰减情况。得到适合检测的弯曲模态激励频率与传感器布置距离。并且数值模拟了 F(1,1)模态和F(2,1)模态对管道的缺陷检测,分析了F(1,1)模态和F(2,1)模态对不同缺陷的敏感度。结果表明:频率在50kHz时可以得到较为干净的单一弯曲模态导波。经过对4种不同尺寸管道中弯曲模态在不同频率接收点处的传播特性模拟,最终可以确定在管道尺寸为10×1mm、频率为50kHz、接收点在600mm时,得到的F(1,1)模态为较单一的弯曲模态;对缺陷方向为纵向和横向,类型为方形凹槽和方形通槽,大小为2×6×1.5mm和1×4×0.5mm,选用频率为50kHz和85kHz的弯曲模态进行数值模拟检测,对比分析得到,缺陷为纵向时,F(1,1)模态比F(2,1)模态对缺陷更敏感;缺陷为横向时,F(1,1)模态和F(2,1)模态对于横向缺陷的敏感度差别不大。模拟结果可明显的看出缺陷回波的位置和大小;对比发现,弯曲模态对横向缺陷更敏感。激励频率为50kHz时的缺陷信号明显比激励频率在85kHz时的缺陷信号强。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景和意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 国外在导波模态识别技术上的研究现状
•     1.2.2 国内在导波模态识别技术上的研究现状
•     1.2.3 弯曲模态信号处理的研究现状
•   1.3 研究内容及创新点
•     1.3.1 研究内容
•     1.3.2 创新点
• 2 弯曲模态频散特性研究
•   2.1 超声导波的基本概念
•   2.2 弯曲模态频散特性分析
•     2.2.1 弯曲模态相速度群速度
•     2.2.2 弯曲模态频散特性
•   2.3 本章小结
• 3 有限元软件数值模拟过程
•   3.1 ABAQUS软件分析过程简介
•     3.1.1 ABAQUS有限元软件
•     3.1.2 定义分析步
•     3.1.3 加载方式
•     3.1.4 单元的选择和网格的划分
•     3.1.5 后处理
•   3.2 管道中弯曲模态导波的数值模拟
•     3.2.1 有限元模型的建立
•     3.2.2 激励信号的选取
•   3.3 中心频率对弯曲导波传播的影响
•     3.3.1 中心频率选取范围
•     3.3.2 中心频率对弯曲导波传播的影响
•   3.4 本章小结
• 4 弯曲模态缺陷检测模拟
•   4.1 频率和接收点对弯曲模态导波传播的影响
•   4.2 弯曲模态对管道缺陷的数值模拟
•     4.2.1 纵向缺陷对F（1,1）、F（2,1）模态的影响
•     4.2.2 横向缺陷对F（1,1）、F（2,1）模态的影响
•     4.2.3 缺陷类型对F（1,1）、F（2,1）模态的影响
•     4.2.4 频谱分析
•   4.3 本章小结
• 5 结论与建议
•   5.1 结论
•   5.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杜兰

导师: 赵满全,刘飞

关键词: 超声导波,弯曲模态,传播特性,数值模拟,管道缺陷

来源: 内蒙古农业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 物理学,公路与水路运输,自动化技术

单位: 内蒙古农业大学

基金: 国家自然科学基金项目(11662013):基于超声导波声弹特性的非介入式小管径管道压力检测方法与机理研究,42万元,2017.1-2020.12

分类号: TP274;O426.9;U178

DOI: 10.27229/d.cnki.gnmnu.2019.000435

总页数: 55

文件大小: 6299K

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