力磁作用下磁致伸缩导波传播特性研究

【摘要】：基于磁致伸缩效应的管道导波检测技术是管道检测技术的新兴和前沿研究发展方向。然而，由于受到管道在加工和成型过程中产生的残余应力、管内流体介质压力以及管道裂纹处应力集中等的影响，使得传感器的识别能力和定位精度不高。为此，本学位论文重点研究外加应力、外加磁场对磁致伸缩导波传播特性的影响关系以及不同应力、裂纹作用下管道中导波的散射特性，为提高磁致伸缩导波检测系统精度提供理论支持。 首先，从宏观热力学角度，推导了磁致伸缩材料的非线性本构模型。在此模型基础上，首先推导了应力和磁致伸缩应变之间的关系，其次推导出了应力和材料杨氏模量的理论模型。结合管道的杨氏模量对磁致伸缩导波频散特性的影响，讨论应力和磁致伸缩导波频散特性之间的动态关系。数值分析表明，应力对纵向模态和扭转模态导波群速度影响较大。其中，L(0,2)、 L(0,3)、T(0,2)和T(0,3)模态导波的截止频率随应力的增大而增大，而给定激励频率的L(0,1)和L(0,2)纵向模态导波，其波包宽度随应力增大而增大。 其次，基于上述磁致伸缩材料的非线性本构模型，首先推导出了外加磁场和磁致伸缩应变之间的关系以及偏置磁场与压磁系数之间的关系，在此基础上，建立偏置磁场和磁致伸缩材料介质杨氏模量的理论模型。并对不同偏置磁场作用下的导波频散特性进行数值模拟。结果表明，偏置磁场对纵向模态和扭转模态导波群速度影响较大。其中，L(0,2)、L(0,3)、T(0,2)和T(0,3)模态的截止频率随偏置磁场的增大而增大，而给定激励频率的L(0,1)和L(0,2)纵向模态导波，其波包宽度随偏置磁场增大而增大。 最后，利用有限元中的瞬态动力学方法和位移-磁致伸缩伸缩力模型，仿真分析应力作用下L(0,2)、T(0,1)导波与管道裂纹的作用关系。通过在模型上建立典型通透性纵向和周向裂纹，并在裂纹处的节点上施加局部应力，来模拟管道受力后的应力集中现象。实验结果表明，L(0,2)模态导波对周向裂纹相对敏感。无应力作用时，L(0,2)模态导波的反射率与周向缺陷长度呈线性递增关系；而外加应力作用下，其反射率与周向缺陷长度不再呈线性关系变化，且导波反射率随着应力的增大而减小，尤其表现在周长裂纹的长度占周长的1/4处。T(0,1)模态导波对纵向裂纹相对敏感。无应力作用时，T(0,1)导波反射率与纵向裂纹长度占波长之比的关系呈M型；而局部应力对不同长度缺陷的反射率影响程度各不相同，其中纵向裂纹长度为波长的30%与80%时，局部应力对缺陷的反射率影响相对较大，对应缺陷的反射率随着应力的增大而减少。总体上讲，局部应力对T(0,1)导波检测纵向缺陷的反射率影响相对较小。