超声导波在充液埋地管道结构传播特性的理论研究与试验验证

目的针对内部载有液体并且埋置地面以下某一深度或者水下管道健康监测的难点问题,推导出充液埋地管道超声导波频散曲线方程,用来确定管道健康监测的激发频率和模态.方法利用Navier-Stokes方程在势函数中耦合一个附加的位移场方程并引进第二类Hankel函数,推导出充液埋地管道的频散曲线方程并进行试验验证.结果通过埋地充液状态下管道试验系统测得的群速度和衰减值与推导出的频散曲线方程的理论值相差1.05%,基本符合.结论附加位移场方程可以模拟超声导波在土中传播情况,第二类Hankel函数可以表征波的能量从管中扩散到很远距离并且逐渐衰减消失的这种特性进而推导出超声导波在充液埋地管道中传播的频散和衰减曲线,根据频散曲线可以确定管道健康监测激发频率和模态.     

利用压电导波层状管道结构的损伤识别

目的绘制层状管道结构导波的频散曲线,提出一种利用压电超声导波层状管道结构损伤识别方法.方法利用Navier方程及边界条件建立频散方程并进行数值求解,分别绘制出空管和充液两种情况下的导波频散曲线.为了验证理论分析结果,利用压电导波试验方法,对一个长2 m的层状空管和层状充液管道中的人工周向缺陷进行识别.结果导波的频散和衰减程度较弱的L(0,1)模态适合于层状充液管道中的损伤识别.随着导波频率的增加,频散效应逐渐增加,损伤识别能力也逐渐下降.对于充液管道,导波能量会通过液体中传播,降低损伤识别的精度.结论在对层状充液管道进行损伤识别时,应根据频散、衰减和导波结构等传播特性选取合适的纵向模态.利用压电导波进行层状管道结构损伤识别是十分有效的.     

基于能量密度法的超声导波层状管道结构损伤检测

目的根据超声导波在管道结构径向能量密度分布,选择导波最佳模态和频率,提出一种基于能量密度的超声导波层状管道结构损伤检测方法.方法根据能量密度表达式,采用数值分析软件Matlab绘制频厚积-能量密度曲线,并将能量密度曲线与频散曲线相对比,验证其有效性.结果频厚积范围2 160～3 240 kHz·mm,L(0,6)模态适合作为层状管道结构的损伤检测的超声导波,其具有清晰的缺陷回波和边界反射回波,而且能量密度曲线与频散曲线趋势一致.结论基于能量密度法能够实现不同目的超声导波层状管道结构损伤检测,且效果良好.     

正弦型波纹板导波传播的理论模型与数值计算

为了探究正弦型波纹板中超声导波的传播特性,基于经典的自由平板中导波频散方程的推导方法,引入波纹板的结构参数,对波纹板中SH波和Lamb波的频散方程进行了推导.采用二分法数值求解频散方程,得到了波纹板相速度和群速度频散曲线.将波纹板和平板的频散曲线进行了比较,研究了导波不同模态的群速度随结构参数的变化规律.同时对波纹板中超声导波传播特性进行了有限元仿真,分析了正弦型波纹板中导波的实际传播距离随结构参数的变化规律.     

螺旋杆结构中弹性导波频散特性研究

为获取弹性导波在螺旋结构中的传播规律,建立了螺旋坐标系下的弹性力学基本方程,得到了螺旋结构中半解析有限元形式的弹性波频散方程.频散计算结果验证了在钢绞线外层螺旋圆杆中弹性导波的L(0,1),T(0,1)和F(1,1)等模态存在频率截止,并进一步计算了圆柱螺旋弹簧和螺旋天线结构的频散中的相速度和能速度曲线.结果表明:a.不同螺旋结构的频散曲线中普遍存在着频率截止和模态分支现象;b.所推导的螺旋坐标系下的弹性力学方程可以满足对螺旋结构的弹性导波频散分析计算;c.钢绞线外层螺旋圆杆的弹性导波能速度频散曲线在中间频段部分与直杆上频散曲线的对应频段部分的特征相近,圆柱螺旋弹簧与同旋绕比的圆环结构之间的能速度频散特征相近;d.不同螺旋天线的结构形式差别较大,其弹性导波频散特性须要根据具体结构特点作具体分析.     

超声导波扭转模态在粘弹性包覆层管道中传播特性研究

研究了带有粘弹性包覆层管道中超声导波扭转模态的频散及其衰减特性.分析了T(0,1)模态在不同频带中的传播特性.并通过厚度切变压电陶瓷传感器在覆着环氧树脂的钢管中激励出T(0,1)模态.在40—210kHz频率范围内,T(0,1)模态的群速度和衰减与理论预测相吻合.结果表明,对于带有粘弹性包覆层的管道,其衰减频散曲线可用作模态选取的理论指导,用于对管道的缺陷检测.     

蜗卷弹簧导波频散特性研究与探头设计

蜗卷弹簧是高压断路器的关键零件,可用超声导波来检测裂纹损伤,超声导波的频散特性研究是影响导波检测的重要因素,也是导波探头设计的基本依据。本文首先推导了蜗卷弹簧的超声导波频散方程,说明理论上无法直接计算得到蜗卷弹簧的频散特性,通过借鉴圆柱壳结构周向导波的频散特性研究方法,把蜗卷弹簧的各圈近似为不同半径的圆柱壳结构、计算得到其频散曲线,从而得到蜗卷弹簧的频散特性,频散曲线表明蜗卷弹簧的形状参数是影响其频散特性的主要因素。以蜗卷弹簧外圈为例,计算了频率和探头入射角以及导波模态三者的关系,为导波探头频率选择及楔块角度设计提供参考。     

充液管道纵向导波在黏度测量中的应用研究

利用COMSOL仿真和实验,研究并证实了充液管道纵向导波测量液体黏度的可行性.有限元仿真采用声固耦合模块、特征值求解器来获得导波实波数、复频率和波结构,以及不同模态的位移和声压分布.实波数和频率实部构成群速度频散曲线,频率虚部和频率实部构成衰减频散曲线.计算和测试了不同充液属性时纵向导波的群速度和衰减频散曲线.黏度不影响导波群速度频散曲线,黏度增加时,衰减系数增大;密度增加时,导波群速度和频散区的衰减均变小,而非频散区的衰减不变;纵波速度增加时,群速度和衰减频散曲线均右移.     

翅片管式蒸发器超声波除霜理论与技术研究

针对传统逆除霜技术能耗高、热舒适度差的问题,研究应用于翅片管式蒸发器的超声波除霜新技术。结合MATLAB数值求解方法与有限元压电结构耦合仿真方法,分析蒸发器结构中的频散曲线,确定蒸发器结构中的超声导波类型、模态及导波传播特性,并将超声频散曲线分析结果与有限元仿真结果进行对比。研究结果表明,在激励频率小于250kHz时,蒸发器翅片上存在Lamb波的A0和S0模态以及SH波的SH0模态,Lamb波在翅片与霜层界面处激发破碎应力,SH波激发剪切应力;翅片上振动以Lamb波的S0模态为主,铜管上可以清楚看到对称的纵向模态,有限元仿真结果与频散曲线分析结果完全吻合;超声除霜试验与能耗分析结果表明,超声除霜能耗不到传统逆除霜能耗的1/22,除霜效率至少提高了7倍,是一种高效、低能耗的翅管式换热器除霜新技术。     

弹性波在压电压磁层状复合材料中的传播

研究了压电压磁周期层状复合物中弹性波沿层方向传播的力学行为。基于板中兰姆波传播的思想,推导了弹性波在结构中传播的频散方程,数值计算了压电压磁PZT4/CoFe2O4复合材料中不同PZT4体积百分比下的频散曲线。结果表明频散曲线类似于板中兰姆波的对称模态;在频散曲线相邻两阶模态的交叉位置,存在横向振动和厚度振动模态强烈的耦合作用。对于具有磁电转换性能压电压磁传感器的分析和设计提供了重要的理论指导。     

土壤对管道纵模导波传播特性的影响

针对超声导波技术在不同地理环境下埋地管道的缺陷检测问题,对埋地管道中纵向模态的频散和衰减特性进行了分析。建立了埋地管道的三维有限元模型,分析了激励频率和土壤类型对纵模导波传播的影响。在埋地管道中粘贴压电陶瓷片激励和接收L(0,2)模态。研究结果表明:随着激励频率增加,L(0,2)模态能量衰减也逐渐增大,而在激励频率为40 k Hz时,弹性模量较小的硬黏土对纵模导波的衰减相对较小,表明采用低频纵向模态超声导波对较低弹性模量土壤覆盖的管道检测效果较好,可有效提高导波在该类埋地管道中的检测距离。     

土壤对管道纵模导波传播特性的影响

针对超声导波技术在不同地理环境下埋地管道的缺陷检测问题,对埋地管道中纵向模态的频散和衰减特性进行了分析。建立了埋地管道的三维有限元模型,分析了激励频率和土壤类型对纵模导波传播的影响。在埋地管道中粘贴压电陶瓷片激励和接收L(0,2)模态。研究结果表明:随着激励频率增加,L(0,2)模态能量衰减也逐渐增大,而在激励频率为40kHz时,弹性模量较小的硬黏土对纵模导波的衰减相对较小,表明采用低频纵向模态超声导波对较低弹性模量土壤覆盖的管道检测效果较好,可有效提高导波在该类埋地管道中的检测距离。     

土壤对管道纵模导波传播特性的影响

针对超声导波技术在不同地理环境下埋地管道的缺陷检测问题,对埋地管道中纵向模态的频散和衰减特性进行了分析。建立了埋地管道的三维有限元模型,分析了激励频率和土壤类型对纵模导波传播的影响。在埋地管道中粘贴压电陶瓷片激励和接收L(0,2)模态。研究结果表明:随着激励频率增加,L(0,2)模态能量衰减也逐渐增大,而在激励频率为40kHz时,弹性模量较小的硬黏土对纵模导波的衰减相对较小,表明采用低频纵向模态超声导波对较低弹性模量土壤覆盖的管道检测效果较好,可有效提高导波在该类埋地管道中的检测距离。     

二维点阵夹芯板导波传播特性与频散曲线计算

通过建立导波传播的等效分析模型推导了二维点阵夹芯板中导波的频散方程, 并计算得到频散曲线. 建立了基于二维点阵真实结构的有限元模型, 并利用ABAQUS 软件模拟了导波在正六边形点阵夹芯板中的传播过程. 结果表明, 当频率较低时, 等效模型能够较好地描述导波沿整个夹芯板的传播过程.     

平板和管道周向Lamb波频散和波结构特性

为指导使用管道周向Lamb波进行缺陷检测的工作,分析并对比研究了弹性平板Lamb波和管道周向Lamb波的频散和波结构特性。在管道周向Lamb波频散方程的推导中引入了修正的传播方向弧长计算以提高频散曲线的计算准确度,这种修正的合理性从两个方面得到证明。计算结果表明,代表管道周向弯曲程度的内、外径之比越大则周向Lamb波的频散和波结构特性越接近于平板,这就为以平板导波研究内、外径之比较大的管道的周向导波的近似处理提供了理论依据。     

平板和管道周向Lamb波频散和波结构特性

为指导使用管道周向Lamb波进行缺陷检测的工作,分析并对比研究了弹性平板Lamb波和管道周向Lamb波的频散和波结构特性。在管道周向Lamb波频散方程的推导中引入了修正的传播方向弧长计算以提高频散曲线的计算准确度,这种修正的合理性从两个方面得到证明。计算结果表明,代表管道周向弯曲程度的内、外径之比越大则周向Lamb波的频散和波结构特性越接近于平板,这就为以平板导波研究内、外径之比较大的管道的周向导波的近似处理提供了理论依据。     

基于分向半解析有限元法的椭圆杆波动特性

波导结构中导波的传播特性是超声导波检测技术的重要基础.本文选择椭圆杆作为研究对象,在椭圆坐标系下,采用分向半解析有限元法,结合变分原理,建立运动方程.由此计算得到的圆杆相速度曲线与解析解的吻合,验证了计算方法的正确性.在此基础上,进一步研究了长短轴比以及物理参数对椭圆截面杆中导波频散特性的影响规律.结果表明,椭圆坐标系下分向半解析有限元法能够求解出椭圆杆的频散曲线,为椭圆杆结构的导波检测提供了理论依据.     

超声导波在层状管道结构传播性质的有限元模拟及验证

目的使用有限元分析软件ABAQUS建立层状管道结构模型,克服试验中不能在任意位置设置传感器的弊端,不破坏外包层的前提下实现对结构层的损伤识别和健康监测.方法利用有限元模型能对管道结构任意位置和任意节点的信号进行提取和分析的优势,分析压电超声导波的轴向传播机理.然后制定同等条件的试验室模型,建立试验系统,验证有限元分析的准确性.随后采用试验方法定量分析外包层对结构层的影响.结果试验结果与有限元模型的端部反射波波形图相符合,在非频散区间,试验信号和有限元模拟信号的群速度误差较小.结论有限元模型能够准确地模拟压电超声导波在层状管道结构的传播性质,量化外包层影响后,为后续损伤识别研究奠定了基础.     

Lamb波频散曲线快速计算与绘制

超声Lamb波已成为快速检测各种金属板材与薄壁管件健康质量的重要手段,但由于其传播过程中的频散和多模态特性使其在应用上受到了一定程度的限制。应用中若相关参数选择不当,会使得检测回波信号相互叠加而难以识别,快速精确的计算频散曲线则是正确选择参数的基础。基于此,在详细分析频散曲线特点的基础上,引入了曲线追踪法,并利用该方法完成了相应的软件设计,实现了频散曲线的快速绘制。该软件可用于各种材料的Lamb波频散曲线快速绘制,为检测中的Lamb波模态选择、发射频率等相关参数设置提供了可靠的理论依据。     

锚杆中纵向超声导波传播特性数值模拟研究

针对导波在锚杆检测中的应用,分析了纵向导波在锚杆中的传播特性,利用Matlab求解了纵向导波传播的频散方程,用有限元数值方法模拟了不同频率的L(0,1)模态导波在锚杆中的传播特性,并对其杆顶响应信号进行了分析。通过理论和数值模拟分析对比验证了数值模拟方法的可行性,对于工程中应用导波对锚杆进行检测时,应选择适当频率的导波,并结合各频率导波在锚杆中的传播特性才能得到可靠的结果,进而对锚杆顶端对称与非对称激励震源在锚杆顶端产生的响应进行了分析。