管道腐蝕缺陷超聲導(dǎo)波檢測仿真研究

XX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目： 管道腐蝕缺陷超聲導(dǎo)波檢測仿真研究 學(xué) 院： 測試與光電工程學(xué)院專業(yè)名稱： 測控技術(shù)與儀器班級學(xué)號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 二Oxx 年 六月 管道腐蝕缺陷超聲導(dǎo)波檢測仿真研究 摘要:超聲導(dǎo)波檢測主要是導(dǎo)波在工件中的傳播特性，導(dǎo)波在工件中傳播能量會損失，同時，傳播過程遇到兩種不同的聲阻抗時，導(dǎo)波會發(fā)生反射。其工作理論是聲源產(chǎn)生超聲波投入管子，當在管子中傳播并與缺陷發(fā)生作用，讓其傳播方向發(fā)生改變，被回收設(shè)備所接管，并對它進行管理和分析。超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)相對其他檢測技術(shù)的優(yōu)勢。第一，其傳播過程衰減很小，可傳播很遠的距離；第二，適合長距離管道的大范圍檢測；第三，對所檢測的管道不用做處理，大大降低了檢測成本；第四，可同時對管道外觀和里面的弊端進行檢測。所以，研究超聲導(dǎo)波技術(shù)在油氣管道缺陷檢測中的應(yīng)用具有重要意義和發(fā)展前景。通過超聲導(dǎo)波理論對工件侵蝕進行理論性剖析，探討導(dǎo)波對哪種范例的侵蝕性弊端檢出靈敏度更高。并通過ANSYS軟件對工件侵蝕舉行仿真研究，進一步證明所得出的理論結(jié)果。同時仿真研究有著實驗所沒有的優(yōu)勢，它可以在實驗條件不足的情況下進行研究。仿真可以在實驗條件不足的情況下完成相關(guān)的研究，降低各種損耗。所以在實驗不太方便進行的情況下，仿真是一種不錯的選擇。關(guān)鍵詞：管道腐蝕；超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)；仿真Simulation Research of ultrasonic guided wave testing of pipeline corrosion defects Abstract：Ultrasonic testing group if the propagation characteristics of ultrasonic guided waves in the workpiece,the guided wave propagation early artifacts energy is lost, while the propagation of acoustic impedance of two different encounters that occur guided wave will be reflected.Its working theory is that the ultrasonic sound source input pipe, when Guan Zizhong transmission and interact with defects, to change its direction, was taken over by recycling equipment, and management and analysis. Theoretical analysis of pipeline corrosion by guided wave ultrasonic principle, investigate what type of guided wave corrosion defect detection sensitivity higher。First, the propagation attenuation is very small, can travel long distances and； secondly, suitable for a wide range of long distance pipeline detection ；and third, dont have to do for the detection of pipeline processing, greatly reduces the cost ；Finally, you can simultaneously detect the defects in and appearance。Therefore, the study of ultrasonic guided wave technology in pipeline defect detection is of great significance and development prospects By ultrasonic guided wave theory of the workpiece aggressive conduct theoretical analysis, to explore what kind of paradigm guided wave erosion on the Abuse of higher detection sensitivity. By ANSYS software simulation of the workpiece held erosion, further proof of the theoretical results obtained。While not the advantages of simulation with experiment, it can in case of insufficient experimental conditions was studied。The simulation can be done in case of insufficient experimental conditions Related research, and reduce various losses. So in the case of the experimental inconvenient, simulation is a good choice. Key words : Pipeline Corrosion； ultrasonic guided wave detection technology ； simulation 目 錄 1. 引言 1.1 選題的依據(jù)及意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢21.3 本課題主要研究內(nèi)容32. 超聲導(dǎo)波對不同類型管道腐蝕檢測2.1 導(dǎo)波的概念以及傳播模式52.2 超聲導(dǎo)波檢測的傳播模式52.3 超聲導(dǎo)波腐蝕檢測原理62.4 腐蝕類型對檢測的影響72.4.1 全面腐蝕72.4.2 局部腐蝕72.4.3 應(yīng)力腐蝕和疲勞腐蝕82.5 總結(jié)83. ANSYSY仿真軟件操作流程3.1 Ansys軟件的介紹93.2 仿真操作過程103.2.1 定義工作名103.2.2 定義單元類型103.2.3 定義材料屬性、建立模型113.2.4 劃分網(wǎng)格123.2.5 加載荷、求解和后處理134. 仿真結(jié)果處理4.1 扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波對管道腐蝕缺陷不同類型的檢測144.2 T模態(tài)和L模態(tài)導(dǎo)波對管道腐蝕檢測靈敏度164.3 本章總結(jié)175. 總結(jié)18參考文獻19致謝21管道腐蝕缺陷檢測超聲導(dǎo)波檢測仿真研究1.引言1.1選題的依據(jù)及意義管子在使用過程中產(chǎn)生侵蝕、蠕變、疲憊、材料損壞等多種方式，當中弊端缺陷最具嚴重性。尤其是在煉油、化工等領(lǐng)域內(nèi)，由于其管道內(nèi)所加介質(zhì)腐蝕性強，又因為其經(jīng)常處在高溫、高壓力等惡劣的外界環(huán)境當中，所以經(jīng)常會發(fā)生管道被腐蝕的事。所以為了能更好的保障連續(xù)生產(chǎn)，同時避免危險事故的發(fā)生，我們應(yīng)該加強對管道腐蝕的檢測。 此外，隨著油氣資源的開發(fā)，管道運輸在全球范圍內(nèi)得到了高速發(fā)展，極大的滿足了市場的需求，促使管道運輸業(yè)成為能與鐵路、公路、航空、水運齊頭并進的五大運輸業(yè)之一，對經(jīng)濟建設(shè)和國防工業(yè)發(fā)揮著舉足輕重的作用。因為隨著管道使用時間的增加、管道生成時產(chǎn)生的缺陷、運輸介質(zhì)對其進行的腐蝕危害以及人為對其產(chǎn)生的損害，使管道事故發(fā)生的越發(fā)頻繁，對人們的生命、財產(chǎn)和所生活的生存環(huán)境產(chǎn)生巨大的威脅。因此，尋找有用法子對管道舉行周期性檢測，和對檢測出有侵蝕的管道進行修理或替換，能夠減少事故的發(fā)生。超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)因為其獨有的優(yōu)勢得到很好的發(fā)展，和其他無損檢測技術(shù)相比，其可以檢測工件內(nèi)很小的缺陷，且檢測靈敏度高，尤其對面積類缺陷檢出率高。超聲導(dǎo)波因為其在固體中傳播時沿傳播方向上衰減很小，所以其不用使用逐點掃描法；同時導(dǎo)波也能夠在充滿液體或者有表面保護層的管子中傳播，從而大大下降了工業(yè)管子檢測的用度。ANSYS是一款運用非常廣泛的使用軟件,它的功效強大，既有前、后辦理功能,也有多能力求解器。而且操作簡單,在核工業(yè)、鐵道、石油化工、等大多數(shù)一般工業(yè)得到廣泛地使用。由于其功能強大，操作簡單，而且有著實驗方法所沒有的優(yōu)勢變的越來越流行。然而, ANSYS軟件也會存在一些不足，尤其是在某些專業(yè)領(lǐng)域,例如ansys軟件對某些彎管缺陷不能進行導(dǎo)波檢測數(shù)值模擬。因為該軟件存在上述的問題，是以不妨采納ANSYS二次開發(fā)技巧，該技術(shù)可以舉行管子弊端導(dǎo)波檢測的數(shù)值模式,二次開發(fā)技術(shù)的建設(shè)，為ANSYS在彎管導(dǎo)波檢測中奠定了基礎(chǔ),也為今后研制和開發(fā)新的軟件檢測技術(shù)提供了一條新的途徑。相對于導(dǎo)波對管子侵蝕檢測的試驗，仿真有著試驗所沒有的優(yōu)勢。超聲導(dǎo)波雖然檢測費用低，但任然沒有用仿真來檢測的成本低，而且周期都要比仿真來的長。仿真可以在實驗條件不足的情況下完成相關(guān)的研究，降低各種損耗。所以在實驗不太方便進行的情況下，仿真是一種不錯的選擇。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢 體波指能夠在無窮波導(dǎo)中傳輸?shù)牟?，而?dǎo)波則是指因為波導(dǎo)界限的處在而孕育的波。對質(zhì)點在介質(zhì)中的振動方向以及波在介質(zhì)中的傳播方向的不同，我們可以對波進行分類，分成縱波和橫波兩種波形。但用波的頻率對波進行分類，以人可感覺的頻率為分界線，可以分為可聞聲波、次聲波、超聲波，其中可聞聲波頻率在20Hz到20kHz之間，次聲波低于20Hz，高于20kHz的超聲波。國外研究超聲波對固體進行無損檢測的始于二十世紀初，他們通過研究波在不同傳播介質(zhì)中的傳播特性進行導(dǎo)波研究。起初，研究者對無窮介質(zhì)中波的傳輸問題進行研究，進而演變成對板中導(dǎo)波的傳輸問題的研究，最終演變?yōu)橹嫔蠈?dǎo)波問題的研究。起先人們舉行的主要是理論探討，直到60年代人們才陸陸續(xù)續(xù)入手通過試驗對其進行討論，最近幾年，檢測領(lǐng)域內(nèi)導(dǎo)波的使用變的越來越廣泛，最突出的是對薄板和管道進行導(dǎo)波檢測。因為導(dǎo)波對管道和板材檢測的優(yōu)越性，所以對其進行缺陷檢測和性能評估越來越受歡迎。J.Rayleigh1和H.Lamb2考慮了在自然狀況下各向同性的板中的彈性波的傳輸特征。D.C.Gazis首先推導(dǎo)出壁厚和內(nèi)徑比越大，空心圓柱殼的解會越接近Lamb波的解3，之后1959年D.C.Gazis又對空心圓柱體中的波在三維上的傳播進行了分析，推導(dǎo)出兩種模態(tài)(縱向拉伸波和扭轉(zhuǎn)波)的理論模型4,5。接下來他們對數(shù)值進行計算，得出許多不同模態(tài)的頻散曲線圖和截止頻率。由于先進的管子檢測技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中需要，所以出現(xiàn)了通過使用導(dǎo)波技術(shù)對管道缺陷檢測進行研究。Thompson等將EMAT(電磁聲傳感器)應(yīng)用于蒸汽發(fā)電機管道的裂縫檢測6。M. G. Silk和K. F. Bainton利用壓電超聲探頭在蒸汽管道中激勵L(0,1)和L(0,2)模態(tài)超聲導(dǎo)波，并進行了裂紋檢測實驗，證明了利用超聲導(dǎo)波技術(shù)對管道檢測的可能性7。M. V. Brook等由管道一端施加法向載荷激勵軸向?qū)Р?，對管道進行檢測，證明了利用柱狀導(dǎo)波對管道進行檢測的可行性8。有趣的是M. G. Silk和K. F. Bainton通過使用L(0,1)模式導(dǎo)波對管道缺陷進行檢測，而Brook使用的卻是L(0,2)模式導(dǎo)波進行檢測。這是因為不同的激勵方法從而產(chǎn)生出不同的激勵模式的結(jié)果。M.G. Silk和K. F. Bainton是在管道內(nèi)部對導(dǎo)波進行激勵的，而M. V. Brook確是在管道一端橫截面對導(dǎo)波進行激勵的。通過這些實驗有效的證明了超聲導(dǎo)波對管道缺陷的檢測。相對國外的研究，國內(nèi)在該領(lǐng)域起步的比較晚。但在相關(guān)各領(lǐng)域也進行了廣泛的研究?？刹檎业蕉嗥獔蟮狸P(guān)于超聲導(dǎo)波對管道檢測的文章。徐可北分析了反射回波和傳播中支點振動方向的關(guān)系9。劉振清綜述了國內(nèi)外的超聲波技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)、新型超聲非接觸換能方法等無損檢測方法10,11。周正干、馮海偉研究了導(dǎo)波在不同介質(zhì)和結(jié)構(gòu)中的頻散特性12。他得安，劉振清等提出如何選取導(dǎo)波的中心頻率，指出了導(dǎo)波的模態(tài)受到管道的直徑和壁厚影響13,14。程載斌，王志華，馬宏偉等重點對應(yīng)力波在管道檢測的應(yīng)用進行了研究，他們通過用有限元軟件ANSYS對超聲縱向?qū)Р▽艿懒鸭y進行檢測做了數(shù)值模擬，根據(jù)缺陷回波信號的到達時間和反射系數(shù)的大小判斷缺陷的位置和大小程度15,16。劉鋒、馬宏偉對激勵信號的周期、頻率進行研究，對雙裂紋和單裂紋進行試驗，以及能量反射率和能量透射率的研究17。焦敬品等對超聲導(dǎo)波在管道中的傳播特性，試驗檢測方法以及數(shù)值模擬方面進行了研究18。徐新生、郭杏林等討論了應(yīng)力波在檢測到缺陷時的反射和透射性質(zhì)，然后根據(jù)反射回波的時間和強度來判斷出缺陷所在的位置和大小，并且驗證理論模型和方法在檢測中是有效的19。齊瑞才、郭杏林試驗驗證管道的周向缺陷、軸向缺陷以及點蝕缺陷對回波信號產(chǎn)生的影響20。姜秀娟、張文雍、徐鴻利用ANSYS軟件對管道的裂縫和焊縫進行建模并仿真，對各種不同腐蝕程度的缺陷進行回波研究分析得出波形和局部損失的關(guān)系，對所給出的所研究的材料物性泊松比、密度、彈性模量不同變化條件下21,22。1.3本課題主要研究內(nèi)容本課題主要采用ANSYS軟件有限元數(shù)值分析模擬軟件對不同類型的管道腐蝕性缺陷進行模擬，探究其結(jié)果進行對比。以及對于同一種腐蝕缺陷用不同的波形模態(tài)對其進行檢測的靈敏度問題。論文主要包括以下幾個部分：第一章：為前言，最初概括了該學(xué)位論文課題的來歷和意義。綜合講述了國內(nèi)外關(guān)于超聲導(dǎo)波檢測方法的鉆研情況，并對本文作者所做的工作進行了簡述。 第二章：介紹超聲導(dǎo)波的檢測原理以及管道腐蝕缺陷的類型。比較出超聲導(dǎo)波對哪種腐蝕檢測靈敏度更高。第三章：介紹導(dǎo)波檢測技術(shù)仿真的原理以及仿真的操作流程。通過ANSYS軟件建立管道模型，并對管道進行網(wǎng)格劃分，施加邊界條件及載荷，最后進行求解。第四章：對所求出的仿真結(jié)果進行分析，得出結(jié)論。第五章：對全文進行總結(jié)。2.超聲導(dǎo)波對不同類型管道腐蝕檢測2.1導(dǎo)波的概念以及傳播模式導(dǎo)波就是指在有限介質(zhì)內(nèi)傳播的波，且其傳播是與邊界平面平行的彈性波。因為介質(zhì)的幾何邊界對波具有導(dǎo)向，所以幾何體形狀對波的傳播有影響。介質(zhì)的幾何體和導(dǎo)波頻率也會影響導(dǎo)波的速率。導(dǎo)波能以三種不同波模式在壓力管道中傳播縱波（L）、彎曲(F)和扭力波(T)23。縱波指的就是質(zhì)點在管道軸向或徑向上的振動且沿著管道軸向傳播的波，彎曲波質(zhì)點在管道軸向、周向和徑向都有振動，扭轉(zhuǎn)波是質(zhì)點沿管道周向振動的波。2.2超聲導(dǎo)波檢測的傳播模式 導(dǎo)波檢測技術(shù)就是聲源產(chǎn)生超聲波進入工件，當其在其他條件都相同的情況下，波工件中傳播并與缺陷發(fā)生相遇，因其兩種介質(zhì)的聲阻抗的不同，使其傳播方向發(fā)生改變，被接收設(shè)備所接收。如圖2.1所示 圖 2.1 檢測模式當你決定了一種導(dǎo)波模式，它會有一個波群速度，其在脈沖頻譜范圍內(nèi)會發(fā)生改變的，這種導(dǎo)波模式的波在傳播時，其脈沖波包（也有遇到缺陷反射回來的波）會因為波的傳播越遠而變的越來越寬，這種變化會減弱了信號的瞬時分辨率以及信號的信噪比(SNR)。選擇最恰當?shù)膶?dǎo)波模式和操作頻率，可以有效的避免這個問題，使導(dǎo)波傳播過程不分散或波包上的分散最小。圖2.2所示為各種不同的模態(tài)導(dǎo)波在固定材質(zhì)和壁厚管道內(nèi)的散射情況，從中我們可以得到扭轉(zhuǎn)波模式T ( 0， 1）在一定頻率范圍內(nèi)傳播基本無散射，管道的材質(zhì)和壁厚因素對其性能無影響。所以扭力波T ( 0， 1）是首選在超聲導(dǎo)波管道檢測過程當中導(dǎo)波傳播形式。圖2.2 不同傳播模式散射圖 同樣，當要使用L模態(tài)的波對管子進行檢測時，我們可以發(fā)現(xiàn)L（0,2）模態(tài)的波在頻率超過20KHZ時，其傳播是幾乎無散射的，而且其傳播速度快，有利于與其他波形區(qū)分，所以，檢測時也可以使用L模態(tài)導(dǎo)波。2.3超聲導(dǎo)波腐蝕檢測原理在超聲導(dǎo)波檢出技術(shù)過程中有多鐘因素對檢測有較大的影響，其一是導(dǎo)波衰減系數(shù)，另外就是缺陷尺寸（管子橫截面積金屬損失百分比)。導(dǎo)波衰減系數(shù)與檢測范圍有緊密聯(lián)系。缺陷尺寸與檢測信號的幅度密切相關(guān)。檢測范圍(R)、導(dǎo)波衰減系數(shù)(）和缺陷尺寸(A)之間存在以下近似數(shù)學(xué)關(guān)系24： R=50-6+20log（0.01）/2 （2-1）式中 導(dǎo)波在管道中的衰減系數(shù)，dB /m R一可達到的檢測范圍，m 一缺陷尺寸(相對于管道總壁厚橫截面 積的百分比%）,見圖2.3 從上述式(2-1)中通過分析可得到圖2.4所示的關(guān)系特性曲線:其中橫坐標缺陷尺寸,縱坐標R是檢測范圍和導(dǎo)波衰減系數(shù)的乘積。按照上述檢測技巧的剖析，我們能夠得出導(dǎo)波對腐蝕性缺陷的檢測是指檢測缺陷占管子橫截面積的百分比，卻不是檢測侵蝕深度，也就是說該技術(shù)不是對管道的真實厚度進行測量。 圖2.3 缺陷尺寸示意圖 圖 2.4 特性曲線圖 2.4腐蝕類型對檢測的影響目前工業(yè)管道腐蝕形態(tài)多種多樣，就當前的研究而言，我們可以把服飾類型分為全面腐蝕、局部腐蝕、腐蝕疲勞以及應(yīng)力腐蝕等。我們可以通過對不同腐蝕類型的研究，探討不同不同腐蝕類型對檢測的影響。2.4.1全面腐蝕因為管子較大面積上產(chǎn)生侵蝕，形成全面侵蝕，我們可以看作均勻的壁厚變薄，在管道的每一個截面上，其橫截面積管道金屬損失量并不大，且近是看作均勻。當導(dǎo)波傳感器發(fā)出一個短脈沖時，沿著管道傳播，近是相當于無腐蝕或腐蝕很小，很難產(chǎn)生很強的反射信號，而且由于表面的腐蝕對導(dǎo)波的衰減有促進作用，縮短檢測范圍。2.4.2局部腐蝕就局部腐蝕而言，超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)對其具有很高的檢測靈敏度，關(guān)于腐蝕缺陷的檢出率，主要依據(jù)的就是兩個方面:（1）管道橫截面積上所有腐蝕面積的總和占整個管道橫截面積的百分數(shù)，即參數(shù)A；（2）目前超聲導(dǎo)波檢測儀器的檢測靈敏度水平。市場上一般的儀器靈敏度在2%一5%范圍內(nèi)，即當管道腐蝕在管道橫截面上的面積占其橫截面積的比超過2%時才有可能被檢測到。局部腐蝕按情況的不同，也存在著差異。對工業(yè)管道經(jīng)常出現(xiàn)的點蝕（孔蝕)腐蝕缺陷而言，國外以超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，通過實驗對窄深型缺陷與寬淺型缺陷進行研究，當金屬橫截面積腐蝕缺陷的面積相同時，檢測出前者的信號幅值比后者幅值要高，更有利于檢測。在圖2.5中，(a)楔形和(b)垂直形的腐蝕產(chǎn)生的信號比(c)水平形和(d)盤碟形產(chǎn)生的信號幅值要高25,26。通常工業(yè)管道腐蝕以窄深形腐蝕性缺陷為主，其危害相當嚴重，而超聲導(dǎo)波技術(shù)對該缺陷檢測靈敏度高，所以導(dǎo)波檢測技術(shù)可用在對工業(yè)腐蝕檢測上。 圖a 楔形腐蝕 圖b垂直形腐蝕 圖c 水平形腐蝕 圖d 盤碟形腐蝕 圖2.5 不同腐蝕類型缺陷2.4.3應(yīng)力腐蝕和疲勞腐蝕這類腐蝕性缺陷的形式主要是以裂紋為主，基本不會造成橫截面積的減小，所以長距離的導(dǎo)波檢測技術(shù)對應(yīng)力腐蝕和疲勞腐蝕檢測效果不是很明顯。2.5總結(jié)經(jīng)過上面一系列的分析研究，當管道橫截面積金屬損失超過超聲導(dǎo)波檢測儀的最低范圍2%時有較好的檢測效果。對應(yīng)力腐蝕和疲勞腐蝕檢測效果不強，不太適應(yīng)，對局部腐蝕檢測出來的效果確很明顯，尤其是對窄深型缺陷或腐蝕孔。3.ANSYSY仿真軟件操作流程3.1 Ansys軟件的介紹Ansys軟件是一種操作十分廣泛的通用有限元分析軟件，是融結(jié)構(gòu)、流體、熱學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)于一體的大型軟件，功能十分強大完備，能夠進行簡單線性靜態(tài)分析和復(fù)雜非線性動態(tài)分析，可用來求結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題的解答，其先進的多物理場耦合技術(shù)在現(xiàn)今世界上首屈一指。ANSYS 主要包括三大模塊：（1）前處理模塊 前處理模塊的實質(zhì)是為相關(guān)方程組設(shè)置參數(shù)和初始條件。模塊的主要功能集中在建立幾何模型、定義及配置材料的屬性、劃分單元網(wǎng)格、設(shè)定邊界條件，為導(dǎo)波有限元計算做準備。模型包含有點、線、面、體等元素，這些元素稱為邊界條件的施加參照。經(jīng)過剖分成單元后，用以存儲結(jié)果的，同時剖分的詳細程度決定著同一次計算結(jié)果數(shù)據(jù)的豐富程度。ANSYS 提供了豐富的模型剖分方式，如自由化分、映射劃分等，這些保證了計算的可靠性和操作的便捷性，使得各種形狀的幾何模型都能得到有效剖分。（2）分析計算模塊 分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（包括線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析及多物理場的耦合分析，可對多種物理介質(zhì)進行模擬分析，具有優(yōu)化能力以及分析靈敏度。（3）后處理模塊 通用后處理器和時間歷程后處理器是ANSYS的兩個后處理器，它可將計算結(jié)果以多種形式顯示，如：以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（能夠看到物體內(nèi)部），同樣也可以以圖表、曲線形式表示，后處理用于處理瞬態(tài)和動力分析。不管分析的問題多復(fù)雜，其求解的基本步驟是：（1）建模及網(wǎng)格劃分；（2）施加邊界條件及載荷；（3）進行求解。但在不同的工程應(yīng)用中，由于涉及的問題大多數(shù)很復(fù)雜，具體步驟就會相差很大。3.2仿真操作過程3.2.1定義工作名實行菜單欄中的Utility Menu File Change Jobname語令，跳出一個框圖，在“Enter new Name”后面輸入“BS_3D”,單擊“OK”按鈕。如圖3.1所示圖 3.1 定義工作名3.2.2定義單元類型從菜單欄中選擇Main Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete命令，跳出“Element Type”單元類型框圖，點擊“Add”，跳出“Library of Element Type”單元類型框圖，選擇“SOLID45”單元。實體單元SOLID45是一種六面體三維單元，圖3.2是ANASYS中典型的八節(jié)點實體單元SOLID45的幾何示意圖。它可以承受拉壓載荷、剪切力載荷，它是最接近真實結(jié)構(gòu)中的受力單元。相對于其它單元形式，實體單元可以獲得非常精準的數(shù)值模擬結(jié)果。圖 3.2 SOLID45的幾何示意圖3.2.3定義材料屬性、建立模型從主菜單中選擇Main Menu Preprocessor Material Props Material Models命令，彈出“Define Material Model Behavior”定義材料屬性對話框。在右邊對話框中對所要求的管道材料進行定義，定義管道彈性模量為2.1e11，泊松比為0.28，密度為7800。ANSYS有限元模型如下所述：管子長1000mm，內(nèi)徑為47mm，外徑為51mm。管子壁厚為4mm，由于前面我們已經(jīng)討論出超聲導(dǎo)波對窄深形腐蝕性缺陷檢測效果更好。所以我們設(shè)定一個深度為2.8mm的腐蝕性缺陷，其軸向長度為50mm，起始于450mm處，周向橫跨30度的規(guī)則長方體缺陷。如圖3.3所示 圖 3.3 管道缺陷模型示意圖 對于在管道模型上腐蝕缺陷的生成有三中方法：一是采用單元生死法，即首先建立無缺陷管道，對管道劃分網(wǎng)格，然后將缺陷處的單元“殺死”，對于“死”單元，程序通過一個很小的系數(shù)即縮減因子乘以它們的剛度，在載荷矢量中，和這些“死”單元相聯(lián)系的單元載荷也被設(shè)置為零，并約束所有不活動節(jié)點的自由度，從而使單元從模型上“脫離”，這種方法的優(yōu)點是簡單易用、容易操作，但是也有一定的缺點，由于在ANSYS中，涉及到單元生死問題都要啟動非線性計算、牛頓拉夫森選項，從而導(dǎo)致無法控制計算時間，甚至?xí)l(fā)生計算不收斂，故一般不采用此種方法。另一個建立缺陷的方法是通過ANSYSY直接建立一個有缺陷的模型，然后再對該模型進行網(wǎng)格劃分。第三種方法是先建立管道得一部分，將缺陷的模型部分先預(yù)留，通過對稱將其余部分建立，然后再在預(yù)留部分添加單元，余下缺陷，再對其進行網(wǎng)格劃分。3.2.4劃分網(wǎng)格 從主菜單中選擇Main Menu Preprocessor Meshing MeshTool命令，彈出MeshTool對話框，在該對話框中選擇合適的網(wǎng)格單元長度，并選擇掃略SWEEP命令來劃分網(wǎng)格，可以得到質(zhì)量較高的有限元網(wǎng)格，因為網(wǎng)格密度的不同，象征著材料的密度等彈性常數(shù)的不同，會引起回波信號，這與材質(zhì)均勻的管道是不符的，更會造成缺陷的誤判。如圖3.4所示圖 3.4 管道網(wǎng)格劃分示意圖3.2.5加載荷、求解和后處理 前面已經(jīng)講述，T（0,1）模態(tài)的波質(zhì)點是沿著周向位移的，也就是其在徑向和軸向的位移為零，且其周向位移分布均勻，易于用來檢測。所以我們在對管道模型進行加載荷時，先將其轉(zhuǎn)為柱面坐標，約束一端的自由度，對另一端內(nèi)圈外圈每一個節(jié)點上都加上沿周向振動的質(zhì)點載荷，如圖3.5示意圖所示。在實際過程中，我們通常會忽略管道表面的包覆層，即可以減少導(dǎo)波回波信號受其他因素的干擾。加載荷除了上述操作方式，還可以命令流的形式對其加載。命令流也分為兩種，一種是宏命令加載，還有一種是表參數(shù)加載，通過使用DO循環(huán)、IF/ELSE命令控制載荷加載。后處理有兩種后處理器，通用后處理和時間歷程后處理。通用后處理可以查看模型在某一時刻下的結(jié)果，將結(jié)果以圖形、文本或動畫的形式展現(xiàn)。時間歷程后處理可以查看模型某一點特征隨時間變化的曲線，也可以以列表的形式輸出，后處理用于處理瞬態(tài)和動力分析。本次研究選擇了時間歷程后處理，便于查看檢測節(jié)點位移時間變化的信息。圖3.5 T（0,1）模態(tài)導(dǎo)波激勵與接收示意圖4.仿真結(jié)果處理4.1扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波對管道腐蝕缺陷不同類型的檢測具前文介紹，我們可以發(fā)現(xiàn)在管道壁厚和材質(zhì)相同的情況下，扭轉(zhuǎn)波模式T（0,1）在傳播過程中基本無散射，所以我們用T（0,1）模態(tài)對管道腐蝕缺陷進行仿真研究,且頻率為32.38KHZ。在管道橫截面積金屬腐蝕面積相同時，通過對不同的腐蝕缺陷深度的仿真研究其結(jié)果，我們可以得出扭轉(zhuǎn)波對不同類型缺陷的靈敏度情況。本文仿真研究了三組數(shù)據(jù)進行探討研究，在管子長度為1m一定，腐蝕缺陷軸向長度為50mm一定，腐蝕起始位置為450mm處，分別改變管子的徑向和周向大小，使其管子橫截面積上缺陷面積相同。分別設(shè)為（1）深度4mm，周向橫跨30o，如圖4.3所示；（2）深度3mm，周向橫跨39.6o，如圖4.2所示；（3）深度2mm，周向橫跨58.8o，如圖4.1所示。圖4.1 管道腐蝕深度2mm波形圖圖4.2 管道腐蝕深度3mm的波形圖圖4.3 管道腐蝕為深度4mm的波形圖 從上述波形圖我們可以得出兩個波峰之間的時間差與波速的乘積和缺陷尺寸相吻合，當管道腐蝕越深時，在其管道橫截面上腐蝕面積相同的情況下，其周向角度小，所得出腐蝕類型為窄深型的缺陷比寬淺型缺陷的波形幅值要大，即超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)對窄深型腐蝕缺陷檢測敏感度更高。4.2 T模態(tài)和L模態(tài)導(dǎo)波對管道腐蝕檢測靈敏度 T模態(tài)的扭轉(zhuǎn)波通常一般用來檢測管道軸向裂紋缺陷，L模態(tài)的縱波通常是檢測管道周向裂紋缺陷的。但是對于腐蝕性缺陷和裂紋缺陷有所不同，腐蝕通常都是大范圍或局部一塊面積，所以不能用裂紋的方式來判斷用哪一種模態(tài)的波對腐蝕檢測靈敏度高。上述我們已經(jīng)對不同模態(tài)的波進行了選擇，選擇了T（0,1）和L（0,2）兩種波,且兩種波形都選用125KHZ，下面我們用兩種模態(tài)的波分別對同一個腐蝕性缺陷進行檢測，且所選擇的缺陷軸向和周向長度接近于相等，如：管道長1m，缺陷軸向長度25mm，管道內(nèi)勁47mm，外徑51mm，周向橫跨角度30o，且在管道所處的位置一至。用仿真得出如下結(jié)果圖，如圖4.4和4.5所示。 圖4.4 T模態(tài)扭轉(zhuǎn)波檢測波形圖 圖4.5 L模態(tài)縱波檢測波形圖 從上述結(jié)果明顯可以看出，T模態(tài)的扭轉(zhuǎn)波檢測出的波形圖幅值比L模態(tài)檢測出的波形圖幅值要高，即在本模型中，T模態(tài)導(dǎo)波對管道腐蝕檢測相比較于L模態(tài)導(dǎo)波檢測靈敏度更高。4.3 本章總結(jié) 由上述幾組仿真操作，我們分別對管子橫截面積上不同的腐蝕類型以及使用不同的模態(tài)的波形進行檢測。我們可以得出腐蝕缺陷越窄深度越深，腐蝕檢測靈敏度更好，同時對比得出T模態(tài)的波比L模態(tài)的波檢測靈敏度更高。該結(jié)果非常適用于工業(yè)管道腐蝕的檢測，對其進行推廣，可大大降低工業(yè)管道腐蝕的危害。 5.總結(jié)本文主要介紹了管道腐蝕類型的不同，超聲導(dǎo)波對其檢測的靈敏度問題。首先，本文先講述了一些關(guān)于超聲導(dǎo)波技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及技術(shù)水準，然后講述了超聲導(dǎo)波技術(shù)的原理，并在該基礎(chǔ)上剖析其導(dǎo)波技術(shù)對不同侵蝕進行檢測的成效。得出當管道橫截面積腐蝕面積相同時，窄深型的腐蝕比寬廣型的腐蝕檢測靈敏度更高。并經(jīng)過仿真學(xué)習(xí)，通過ANSYS仿真的方法對該結(jié)果進行研究，得出一系列不同腐蝕缺陷的波形圖，通過對這些波形圖進行對比，從而進一步得出超聲導(dǎo)波技術(shù)對窄深型的腐蝕坑檢測更靈敏，同時經(jīng)過仿真研究，探討出不同模態(tài)波形對同一種腐蝕缺陷的檢測靈敏度，并得出結(jié)論。通過本次研究可以發(fā)現(xiàn)仿真研究想比較于實驗更加的方便、清晰。參考文獻1 H.Lamb. 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