管道焊缝缺陷超声导波检测仿真研究.doc

1、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

2、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Simul

3、ation 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

4、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

5、 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 o

6、f 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 m

7、ode 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 subsequent

8、ly 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

9、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14

10、4.2 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

11、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

12、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

13、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。2

14、0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

15、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