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方管结构超声导波传播特性及缺陷检测方法研究

刘美茹  
【摘要】:方管结构在建筑、机械、电力、化工等领域中应用广泛,在国民经济和社会发展方面发挥着巨大作用。方管结构在服役过程中,受载荷和环境等因素影响,极易产生疲劳裂纹和腐蚀等缺陷,及时进行缺陷检测,对预防事故的发生具有重要意义。目前方管结构检测主要采用传统超声的方法,存在检测效率低下的问题。因此,研究高效的方管结构缺陷检测方法,及时准确地判断和识别方管结构的缺陷尤为必要。本文提出利用超声导波的方法对方管结构进行检测,研究方管结构中超声导波的频散特性、传播过程中超声导波能量的分布特性、以及超声导波与方管结构中缺陷相互作用的散射特性,设计并搭建方管结构的超声导波检测平台,实现方管结构的准确高效检测。针对方管波导截面相对复杂,解析法难以求解其频散方程的问题,提出采用半解析有限元的方法求解方管结构的频散方程。在方管横截面上进行有限元划分,导波沿轴向传播,求解出方管结构中超声导波的频散方程,绘制方管结构中的相速度和群速度频散曲线,并研究方管截面方形环外边长尺寸和壁厚的变化对方管结构中超声导波频散特性的影响规律。分析方管结构频散曲线特征,选择频散曲线中相对平坦且群速度较大的54-74kHz频率范围内的L(0,6)模态作为超声导波的检测模态。针对超声导波在方管结构传播过程中能量分布特性尚不明确的问题,采用有限元仿真的方法,在方管结构中激励L(0,6)模态超声导波,观察超声导波传播的应力云图,分析超声导波在方管棱上和面上的应力场分布规律。在方管左端面沿周向设置不同的接收节点,提取超声导波右端面反射回波在每个接收节点处时域信号的幅值,获取超声导波位移幅值沿方管周向的分布规律,揭示方管中超声导波能量在棱上和面上的分布规律。针对方管结构中缺陷对超声导波的散射特性尚不明确的问题,采用有限元仿真的方法,在带有不同类型、不同位置缺陷的方管中激励L(0,6)模态超声导波,观察缺陷处的位移分布云图和时域波形图,分析不同类型、不同位置缺陷的应力场分布规律。在方管左端面沿周向设置接收节点,提取超声导波缺陷反射回波在每个节点上时域信号的幅值,获取缺陷处超声导波反射回波信号位移幅值沿周向的分布规律,分析导波对不同类型和不同位置缺陷的敏感性。最后,基于超声导波在方管结构中的频散特性、能量分布特性及与缺陷相互作用的散射特性,设计并搭建方管结构超声导波检测平台,实现对方管结构中缺陷在不同大小、不同类型、不同位置和不同数量情况下的检测。对检测系统中的压电晶片传感器进行阻抗匹配,提高检测信号的信噪比,同时对检测信号进行小波分析,实现对微小缺陷反射波的准确捕捉与提取,提高检测精度和准确度。结果表明,超声导波能够准确检测出方管结构中不同大小、不同类型、不同位置和不同数量的缺陷。超声导波是一种能够对方管结构中缺陷进行准确高效检测的方法。


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