管道焊縫缺陷超聲導(dǎo)波檢測仿真研究-開題報(bào)告

XX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告題目 管道焊縫缺陷超聲導(dǎo)波檢測仿真研究 專 業(yè) 名 稱 測控技術(shù)與儀器班 級 學(xué) 號 11081331學(xué) 生 姓 名 許大貴指 導(dǎo) 教 師 龍盛蓉填 表 日 期 20xx 年 4 月 9 日一 選題的依據(jù)及意義隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，管道在航空航天領(lǐng)域，船舶領(lǐng)域，汽車工業(yè)以及壓力鍋爐和大型化工容器等方面均有廣泛的應(yīng)用。和我們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的城市供水系統(tǒng)，煤氣系統(tǒng)更是極為龐大的管道系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前，全球有長達(dá)數(shù)千萬公里的各類在役管道，以北美地區(qū)為例，現(xiàn)有的油氣管道總長50萬公里，僅更換%10的費(fèi)用就可能達(dá)50億美元。而經(jīng)濟(jì)可靠的檢測技術(shù)可以大幅度減少更換的管道，延長那些雖然已經(jīng)到服務(wù)期限但仍安然無恙的管道的使用期限，可以帶來十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)統(tǒng)計(jì)，熱力設(shè)備事故中鍋爐占60%，其中管道破損事故占鍋爐事故的65%，可見，如何防患于未然，搞好管道檢測工作已成為當(dāng)務(wù)之急。所以對管網(wǎng)進(jìn)行在線檢測和評估，在其發(fā)生事故之前提前預(yù)防其損傷，對保證社會生產(chǎn)生活以及保護(hù)人民的生命財(cái)產(chǎn)具有很大的實(shí)際意義。長距離油氣管道檢測具有特殊性，其檢測難點(diǎn)主要在于：檢測作業(yè)距離長，位置變化大；管道沿線障礙物多，屏蔽多，很多地方無法接觸和接近；宏觀目視檢查受到限制，對在用設(shè)備來說，宏觀目視檢查十分重要，但絕大部分油氣管道無法進(jìn)入其內(nèi)部，外部又往往被遽蔽，這就難以掌握管道全面情況，獲得更多信息。由于上述特殊性和難點(diǎn)，傳統(tǒng)檢測方法用于長距離油氣管道檢測顯得不能盡如人意受成本和效率的制約，用射線、超聲波、磁粉、滲透等方法檢測在用管道只能用抽查的方法，這就有可能造成缺陷漏檢。長距離油氣管道需要適合其特點(diǎn)的檢測方法，而超聲導(dǎo)波正是這樣一種新的無損檢測方法和技術(shù)。相對于實(shí)地的實(shí)驗(yàn)，仿真具有實(shí)驗(yàn)所沒有的優(yōu)勢，實(shí)驗(yàn)的成本、周期都要比仿真來的高、長。 仿真可以在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)不太方便進(jìn)行的情況下，仿真是一種不錯的選擇。二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻(xiàn)綜述）超聲導(dǎo)波（UltrasonicGuidedWave）檢測技術(shù)利用低頻扭曲波（TorsinalWave）或縱波（LongitudinalWave）可對管路、管道進(jìn)行長距離檢測，包括對于地下埋管不開挖狀態(tài)下的長距離檢測。超聲導(dǎo)波（也稱為制導(dǎo)波）的產(chǎn)生機(jī)理與薄板中的蘭姆波激勵機(jī)理相類似，也是由于在空間有限的介質(zhì)內(nèi)多次往復(fù)反射并進(jìn)一步產(chǎn)生復(fù)雜的疊加干涉以及幾何彌散形成的。但是對于管道檢測，在一般管壁厚度下要產(chǎn)生適當(dāng)?shù)牟ㄐ?，則需要使用比通常超聲波探傷低得多的頻率，導(dǎo)波通常使用的頻率f100KHz，因此導(dǎo)波對單個缺陷的檢出靈敏度與通常使用頻率在MHz級別的超聲檢測相比是比較低的，但是導(dǎo)波檢測的優(yōu)點(diǎn)是能傳播2030米長距離而衰減很小，因此可在一個位置固定脈沖回波陣列就可做大范圍的檢測，特別適合于檢測在役管道的內(nèi)外壁腐蝕以及焊縫的危險(xiǎn)性缺陷。低頻導(dǎo)波長距離超聲檢測法用于管道在役狀態(tài)的快速檢測，內(nèi)外壁腐蝕可一次探測到，也能檢出管子斷面的平面狀缺陷。1、國外研究概況早在20世紀(jì)初期，研究者們就發(fā)起了對彈性波在不同形狀的有界波導(dǎo)中的傳播特性的研究。(1)板中的導(dǎo)波 Lamb波是1917年英國力學(xué)家H.Lamb按平板自由邊界條件求解的波動方程時得到了特殊的波動解而發(fā)現(xiàn)的【1】。它是一種在厚度和激勵聲波波長相同數(shù)量級的聲波導(dǎo)中(如金屬薄板)由縱波和橫波合成的一種應(yīng)力波。在板型結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播的導(dǎo)波成為板波，當(dāng)板的上下界面在力學(xué)上自由時，板波就叫Lamb波。它是一種在薄板中由于板的上下界面對的存在，聲波在其中不斷被反射并相互干涉，最終在厚度方向上形成駐波，而在板的延伸方向形成Lamb波的傳播。Lamb波是超聲無損檢測最常見的一種導(dǎo)波形式。它在不同厚度及不同激勵頻率下會產(chǎn)生不同的傳播模式。它有對稱Lamb波和反對稱Lamb波兩種形式。前者是指薄板中質(zhì)點(diǎn)的振動對稱于板的中心面，上下兩面相應(yīng)質(zhì)點(diǎn)振動水平分量相同，而垂直分量相反。后者是指質(zhì)點(diǎn)振動不對稱于板的中心面，上下面相應(yīng)質(zhì)點(diǎn)振動垂直分量相同，水平分量相反，且在薄板的中心面上，質(zhì)點(diǎn)以橫波形式振動。20世紀(jì)40年代末;美國人F.A.Firestone首先將Lamb波應(yīng)用于薄板檢測。幾乎與此同時，美國通用電器的D.C.Worlton提出鋁和錯的頻散曲線的模式特征可以應(yīng)用于材料無損檢測【2,3】，D.C.Wolten也于1957年研究了Lamb波與板上的薄層缺陷的相互作用【4,5】，首次討論和Lamb快速檢測缺陷的可能性。J.Rayleigh【6】和H.Lamb研究了備向同性狀態(tài)下的各向同性板中彈性波的傳播，并推導(dǎo)出了該狀態(tài)下的板的一RayLeigh-Lamb超越方程。俄羅斯科學(xué)家Viktorov.LA【7】于1967年研究了表面波和萬Limb波的波動機(jī)理和基本物理特性廠湃出版了一本關(guān)于Raleigh波和Lamb波的專著。突破性的進(jìn)展是D.F.Ball和D.Shewring在1976年成功的利用Lamb波檢測到了薄板中的缺陷。英國學(xué)者Alleyne和Cawley【8】不但研究了Lamb波和板中缺陷的相互作用，同時還分析了模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，提出了模態(tài)選擇的推薦值和應(yīng)用超聲導(dǎo)波檢測的一些技術(shù)。 (2)管中的導(dǎo)波 管道的形狀較矩形板等復(fù)雜很多，導(dǎo)致其頻散方程也較為復(fù)雜。C.Chree9研究了彈性波在無限長圓柱桿中的傳播。A.Love10和J.Rayleigh用板殼理論分析了波在空心圓柱中的傳播。Lin等利用板殼理論，建立了Timoshenko模型，推導(dǎo)出波在空心圓柱殼中軸對稱傳播時頻率與波數(shù)之間的關(guān)系，并對頻散方程進(jìn)行了修正。在1923年，Ghosh11推導(dǎo)出了空心圓柱殼中傳播的線彈性解，并進(jìn)一步得到了兩個同軸圓柱體相套結(jié)構(gòu)的頻散方程，D. C. Gazis12,13于1959年對圓柱空腔中波在三維方向上的傳播做了深入研究。推導(dǎo)了理論模型的兩種模態(tài)(縱向拉伸波和扭轉(zhuǎn)波)。并通過數(shù)值計(jì)算，得到惡劣含有許多模態(tài)的頻散曲線及不同模態(tài)的截止頻率。他們的研究為管道中導(dǎo)波的傳播特性以及導(dǎo)波在工業(yè)中的應(yīng)用奠定了良好的理論基礎(chǔ)。1969年N.A.Armenakas14等詳細(xì)討論了圓柱殼中的彈性傳播理論，進(jìn)二步深化了Gazis的理論。Silk和Baintqn15運(yùn)用彈性應(yīng)力波在介質(zhì)中傳播時遇強(qiáng)間斷會出現(xiàn)特定的反射和透射等力學(xué)特性，首先實(shí)現(xiàn)了在蒸汽管道中激勵L(0,1)(管道內(nèi)部激勵導(dǎo)波)和L(0,2)(管道橫截面激勵導(dǎo)波)模態(tài)的超聲導(dǎo)波，并開展了相關(guān)的裂紋檢測實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了超聲導(dǎo)波技術(shù)對管道損傷檢測的可行性和有效性。Brook等16于1990年也證明了軸向?qū)Р?，即L(0,2)模態(tài)對管遣進(jìn)行檢測的可行性。Ditri等17于1992年又進(jìn)一步提出了導(dǎo)波模態(tài)的特征，并指出它們的靈敏性和穿透力，很大程度上取決于模態(tài)出現(xiàn)的頻率和數(shù)量。Alleyne和Lowe等18通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了縱向?qū)Рㄔ?0-360Hz的中心頻率下群速度最快，頻散最小，并對空管道中沿縱向傳播導(dǎo)波的三種模態(tài)進(jìn)行利率由內(nèi)研究和數(shù)值計(jì)算。Lafleur和Kwun還對充液管道中縱向模態(tài)的傳播特性進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，充液管道的頻散曲線表現(xiàn)為空管和液體頻散曲線的禍合，若充液管內(nèi)導(dǎo)波在類似于空管以（0,2)的分支模態(tài)的部分傳播時頻散最小，且與空管中導(dǎo)波傳播形態(tài)相似。Aristegui19隨后研究環(huán)繞不同液體的充液管道，分析液體粘性因素對管道中導(dǎo)波傳播特性的影響。此外，M.Brook20，以及M.J.S.Lowe等21,22人得到了化工管道中柱面Lamb波傳播的群速度頻散曲線，進(jìn)而描繪出柱面Lamb波在低頻情況下與板波在相應(yīng)模式上傳播特性的相似性，并指明在世紀(jì)檢測中對單一模式波的選擇和激勵23。同時他還和D.N.Alleyne等人24對柱面導(dǎo)波在管道上對于圓周凹槽缺陷檢測的應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，確定了導(dǎo)波在管道缺陷檢測上的有效性。賓夕法尼亞大學(xué)機(jī)械工程系的Joseph L.Rose教授以及他的研究小組一直致力于本領(lǐng)域的研究。他提到，在管中，如果其壁厚遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于管的直徑，同時波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于壁厚或者與壁厚相當(dāng)時，我們可以用lamb波的某些特性近似表征其聲場分布，從而在計(jì)算空心管道相速度時可以得到簡化。2、國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國內(nèi)超聲導(dǎo)波技術(shù)的研究起步較晚。徐新生、郭杏林25等應(yīng)用彈性波理論，討論了應(yīng)力波在裂紋處的反射和投射規(guī)律，從而根據(jù)應(yīng)力波反射時間和強(qiáng)度確定出裂紋的位置和大小，并通過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)表明該理論和模型在測試中是有效的。劉鎮(zhèn)清等介紹了板中和圓管導(dǎo)波及其特性，并給出了Lamb波在板厚范圍內(nèi)的振動位移變化和它的激勵方法，為該波形在無損檢測中的有效應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)26,27。徐可北28和劉鎮(zhèn)清29還分別用實(shí)驗(yàn)方法對Lamb的傳播進(jìn)行了探索。嚴(yán)萍和朱哲民對各向異性板材中的Lamb波傳播進(jìn)行了研究，推導(dǎo)出了各向異性薄板中有對稱液層負(fù)載時版中Lamb波的傳播的對稱和反對稱方程。周正干、馮海偉綜述了超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)的研究進(jìn)展，介紹導(dǎo)波在不同材料和結(jié)構(gòu)中的頻散特性及與之相關(guān)的理論成果。從導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析了導(dǎo)波在介質(zhì)中能量與位移的分布。論述了導(dǎo)波檢測技術(shù)領(lǐng)域中數(shù)值分析方法和信號處理方面的一些新技術(shù)。北京工業(yè)大學(xué)的何存富30,31,32在本領(lǐng)域所做的研究可以說是國內(nèi)超聲導(dǎo)波無損檢測的前沿人物，在理論和實(shí)驗(yàn)上都給超聲導(dǎo)波的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。他得安33,34等綜合了導(dǎo)波模式在管壁中的位移、應(yīng)力和總能量密度分布信息，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)波中心頻率的優(yōu)化選取，指出了管材內(nèi)徑和壁厚的變化會影響管道中的模式行為。程載斌，王志華，馬宏偉等利用ANSYS有限元程序?qū)艿揽v波裂紋檢測進(jìn)行了數(shù)值模擬，利用脈沖回波法精確地判斷裂紋位置和周向長度，但是對裂紋的寬度不敏感。勵爭等利用周向?qū)Р?，?shí)現(xiàn)管道內(nèi)部徑向裂紋的損傷檢測，并利用LS-DYNA顯式算法可以對殼單元進(jìn)行橫向積分的技術(shù)特點(diǎn)，模擬了含橫向變形的不同深度下徑向機(jī)械性損傷裂紋的超聲導(dǎo)波檢測。吳斌和劉增華等就充液管的導(dǎo)波傳播特性和缺陷檢測進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究，通過對比空管和充液管的導(dǎo)波傳播特性的差異，確定了管道缺陷檢測的最優(yōu)模態(tài)。三、研究內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案1.研究內(nèi)容本課題主要采用ANSYS有限元數(shù)值分析模擬軟件對無裂紋管道和有裂紋管道進(jìn)行模擬。ANSYS軟件是一個功能十分強(qiáng)大、具有靈活設(shè)計(jì)和分析及優(yōu)化處理能力的軟件包，融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。該程序基于隱式算法，對模型進(jìn)行有線元分析，可廣泛用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、機(jī)械制造等工業(yè)。2.研究方案采用ANSYS有限元數(shù)值分析模擬軟件對無裂紋管道和有裂紋管道進(jìn)行模擬。1建立實(shí)體模型，設(shè)置模型參數(shù)2. 劃分網(wǎng)絡(luò)以得到有限元模型3. 設(shè)定邊界條件4. 施加激勵以及載荷并進(jìn)行求解 5. 計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，或者輸出四 目標(biāo)，主要特色及工作進(jìn)度1. 研究目標(biāo)本次研究的目標(biāo)是通過模擬仿真，得到導(dǎo)波在特定模擬條件下的傳播規(guī)律，讓超聲導(dǎo)波在管道探傷檢驗(yàn)中發(fā)揮更大作用。2. 主要特色相對于實(shí)地的實(shí)驗(yàn)，仿真具有實(shí)驗(yàn)所沒有的優(yōu)勢，實(shí)驗(yàn)的成本、周期都要比仿真來的高、長。 仿真可以在實(shí)驗(yàn)條件不足的情況下完成相關(guān)的研究，降低各種損耗。3. 工作進(jìn)度2015.3.092015.3.20 前期資料收集、調(diào)研2015.3.212015.4.05 撰寫開題報(bào)告，開題 2015.4.062015.5. 1 建立模型、開展關(guān)于本課題的仿真研究2015.5.062015.6. 1 分析、整理數(shù)據(jù)，歸納總結(jié)2015.6.062015.6.26 撰寫畢業(yè)論文、準(zhǔn)備畢業(yè)答辯五參考文獻(xiàn)1 H. 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