鋼管桁架相貫節(jié)點的相控陣檢測方法研究-開題報告

XX大學畢業(yè)設計（論文）開題報告題目 鋼管桁架相貫節(jié)點的超聲相控陣 檢測方法的研究專 業(yè) 名 稱 測控技術(shù)與儀器班 級 學 號 學 生 姓 名 指 導 教 師 填 表 日 期 20xx 年 04 月 09 日1、 選題的依據(jù)及意義 近年來，隨著我國鋼鐵產(chǎn)量的不斷增長，管桁架在被越來越廣泛的使用，在建筑中所占的比例越來越大，工業(yè)廠房、汽車等行業(yè)設備平臺生產(chǎn)線、物流倉儲、公共建筑體育館、商務會所、高鐵站臺、地鐵站臺、高層商務樓等得到廣泛應用。鋼管結(jié)構(gòu)也取得較大的突破。鋼管結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點是能將人們對建筑物的功能要求、感觀要求以及經(jīng)濟效益要求完美地結(jié)合在一起。鋼管桁架用鋼材制造的管桁架，工業(yè)與民用建筑的屋蓋結(jié)構(gòu)、吊車梁、橋梁和水工閘門等，常用鋼桁架作為主要承重構(gòu)件。各式塔架，如桅桿塔、電視塔和輸電線路塔等，常用三面、四面或多面平面桁架組成的空間鋼桁架。桁架是指由桿件在端部相互連接而組成的格子式結(jié)構(gòu)，管桁架即是指結(jié)構(gòu)中的桿件均為圓管桿件。桁架中的桿件大部分情況下只受軸線拉力或壓力，應力在截面上均勻分布，因而容易發(fā)揮材料的作用，這些特點使得桁架結(jié)構(gòu)用料經(jīng)濟，結(jié)構(gòu)自重小。易于構(gòu)成各種外形以適應不同的用途，譬如可以做成簡支桁架、拱、框架及塔架等，因而桁架結(jié)構(gòu)在現(xiàn)今的許多大跨度的場館建筑，如會展中心、體育場館或其他一些大型公共建筑中得到了廣泛運用。鋼管結(jié)構(gòu)的線條流暢，體形優(yōu)美，易于實現(xiàn)建筑設計的藝術(shù)追求；鋼管截面慣性半徑較大，可減輕體重，因而經(jīng)濟性優(yōu)良，相應減少了防腐和防火涂料的費用。 鋼管的連接主要采取焊接，即使大型結(jié)構(gòu)的高空安裝合攏節(jié)點部分采用栓接，也必須把栓接部件焊到鋼管桿件上，因而焊接技術(shù)在鋼管結(jié)構(gòu)的施工安裝中占有重要的地位1,2。無論從焊接節(jié)點構(gòu)造，焊接工藝和無損檢測技術(shù)都有些特殊的要求。我國近年來已經(jīng)建造了多座管結(jié)構(gòu)形式的大型航站樓、體育館屋蓋和公路橋拱大部分桁架結(jié)構(gòu)中的桿件均在節(jié)點處采用焊接連接，而在焊接之前，需預先按將要焊接的各桿件焊縫形狀進行腹桿及弦桿的下料切割，這就需要對腹桿端頭進行相貫線切割及弦桿的開槽切割。由于桁架結(jié)構(gòu)中各桿件與桿件之間是以相貫線型式相交，桿件端頭斷面形狀比較復雜，因此在實際切割加工中一般采用機械自動切割加工和手工切割加工兩種方法進行加工。主管與支管的連接呈K、T、Y或復合形相貫節(jié)點形式時，支管端馬鞍形曲線。按國外標準規(guī)定，把此類圓管相貫形接頭分為四個區(qū)，即趾部、兩側(cè)部、根部區(qū)。相貫形節(jié)點的焊縫可以分為全焊縫、部分焊透和角焊縫三類，依據(jù)設計計算承載要求選擇確定。要求全焊透時，支管馬鞍形端部（圓管時）的邊緣管壁必須切割出一定的坡口面角度以與弦桿表面之間形成適于焊透的坡口角度，所須切割的坡口面角度值隨支管與主管斜交角度不同以及接頭各區(qū)支管母線與主管交點切線的斜面交角角度不同而異，坡口面角度值還與各區(qū)位置以及支管與主管的管徑比有關(guān)。 與此同時，超聲相控陣靈活有效的控制聲速不僅使之具有很廣的應用和發(fā)展前景，而且有助于改善檢測的可達性和適用性，這也提高了檢測的精確性、重現(xiàn)性和檢測結(jié)果的可靠性，增加了檢測的實時性和直觀性，促進了無損檢測與評價的應用和發(fā)展，因此超聲相控陣的檢測方法也是重要的研究課題。二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢：超聲相控陣檢測技術(shù)的應用始于20世紀60年代，目前已廣泛應用于醫(yī)學超聲成像領域。由于該系統(tǒng)復雜且制作成本高，因而在工業(yè)無損檢測方面的應用受到限制。近年來，超聲相控陣技術(shù)以其靈活的聲束偏轉(zhuǎn)及聚焦性能越來越引起人們的重視，之后由于壓電復合材料、納秒級信號控制、數(shù)據(jù)處理、計算機仿真、大規(guī)模集成電路等多種高新技術(shù)在超聲相控陣成像領域中的綜合應用，使得超聲相控陣檢測技術(shù)得以快速發(fā)展，逐漸應用于工業(yè)無損檢測。國外，2000年以來，在超聲相控陣檢測技術(shù)已得到了一定的發(fā)展并且開始應用于工業(yè)檢測中。形成了金屬焊縫檢測的超聲相控陣檢測方面的專利，專利中采用斜探頭進行單一方向的聚焦，專利中通過轉(zhuǎn)換開關(guān)激勵多個換能器形成陣列來監(jiān)測焊縫缺陷，相關(guān)的文獻涉及核工業(yè)及航空工業(yè)領域，如對汽輪機葉片(根部)和渦輪圓盤的檢測，核電站檢測和航空材料的檢測等3，6。法國原子能委員會(CAE)研制了一套基于VXI總線的相控陣掃描FAUST系統(tǒng)，該系統(tǒng)可與多個普通陣列換能器相連7。在超聲相控陣技術(shù)發(fā)展的同時，超聲相控陣換能器的改進也有了提高，美國的JRitter等采用復合晶體組成16陣元的線性換能器，掃描范圍為0到70度，但只對鐵介質(zhì)檢測敏感8。相關(guān)文獻還報道了表面波及板波的專用相控陣換能器9。在商業(yè)領域，加拿大的RD TECH公司是首個推出成熟的超聲相控陣檢測系統(tǒng)的公司，該系統(tǒng)已經(jīng)獲得美國通用航空公司的認定，其超聲相控陣探頭采用壓電陶瓷線性陣列，容納晶片60個，配置40-70度的掃查10。瑞典無損檢測模擬中心開發(fā)的simSUNDT加拿大的U TEX科學儀器公司開發(fā)的Imagine 3D 以及美國愛華州立大學無損評價中心開發(fā)的UT2 Sim等超聲檢測仿真軟件，在超聲相控陣的研發(fā)方面也提供了比較好的幫助。采用動態(tài)聚焦相控陣系統(tǒng)11、二維陣列和自適應聚焦相控陣系統(tǒng)12、表面波和板波相控陣換能器13和基于相控陣的數(shù)字成像系統(tǒng)等的研發(fā)、應用和完善已成為今后發(fā)展的重點。自適應聚焦相控陣系統(tǒng)的研發(fā)已取得顯著進展，它能利用已接收的缺陷回波信息自動改變激發(fā)規(guī)則，從而達到對聲束的優(yōu)化，提高對缺陷檢出的準確率。動態(tài)聚焦系統(tǒng)已經(jīng)可以實現(xiàn)精密動態(tài)聚焦試驗；在天然氣管道環(huán)焊縫檢測中已經(jīng)開始采用相控陣全自動超聲檢測裝置，但仍需進一步完善；在海洋平臺結(jié)構(gòu)檢測中也展現(xiàn)越來越多的用途14。國內(nèi)在超聲相控陣檢測理論、相關(guān)技術(shù)及應用方面的研究相對滯后。在工業(yè)無損檢測領域，由于固體中波動傳播復雜造成檢測系統(tǒng)組成復雜、成本費高等因素使其應用受限。在機械結(jié)構(gòu)損傷檢測領域中，超聲相控陣檢測技術(shù)的相關(guān)研究成果相對較少，僅局限于借鑒和應用國外超聲檢測的現(xiàn)有設備進行工程檢測。例如，西氣東輸?shù)谝粭l天然氣管道40多萬個焊口進行全自動超聲檢測15，近兩年由美國GE公司提供的在最新腐蝕檢測技術(shù)中在特檢系統(tǒng)得到的應用檢測，這些都是國外進口的相控陣超聲檢測設備的應用。2002年，周琦等人先后研究了檢測管道焊縫的超聲相控陣儀器，但其換能器采用了普通壓電陶瓷片陣列，沒有實現(xiàn)抗邊界反射干擾波的功能16。2003年，清華大學施克仁教授等設計實現(xiàn)了16通道相控陣超聲檢測實驗系統(tǒng)，該實驗系統(tǒng)以波形激勵為基礎，研究了數(shù)字波形相位延時的原理和實現(xiàn)方法，達到了很高的發(fā)射延時分辨率17。2005年，大連理工大學楊建華教授等研究了超聲相控陣精確延時控制技術(shù)完成了通道控制方案的設計18。2006年，中國石油天然氣管道科學院聯(lián)合上海電氣自動化設計研究所等單位進行了天然氣管道焊縫檢測相控陣實驗和研制工作，通過對超聲波相位控制和電子方法，實現(xiàn)了超聲波聲速聚焦、偏轉(zhuǎn)，增加了橫向裂紋的掃查檢測、三維動態(tài)缺陷顯示功能19。2007年電子測試技術(shù)國防科技重點實驗室研究了基于CPLD的16通道相控陣發(fā)射系統(tǒng)的實現(xiàn)方法20。2010年江蘇大學王瑞等完成超聲相控陣檢測系統(tǒng)接收裝置的設計21。綜上所述，國內(nèi)研究的總體現(xiàn)狀是，大多局限于聲場理論的探討和國外已有產(chǎn)品的仿制，缺少新的檢測技術(shù)、檢測方法以及檢測系統(tǒng)設計方面的研究。換能器的研制上沒有創(chuàng)新，為了達到聚焦和偏轉(zhuǎn)的目的通常只考慮數(shù)字延時，幾乎都未考慮強度控制；國內(nèi)外超聲相控陣的檢測儀器價格昂貴，無法實現(xiàn)可控強度聚焦和偏轉(zhuǎn)。無損檢測中環(huán)境的多變性，檢測對象的復雜性對實際結(jié)果的影響等問題的考慮均不周全；延時與等強度控制的算法還有待進一步改進，分析誤差的具體原因，也有待提高精確度；儀器調(diào)節(jié)過程復雜,調(diào)節(jié)準確性對檢測結(jié)果影響大；從實踐檢測方面來說，受客觀影響,工件表面的粗糙度會對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響。但這一切阻礙不了超聲相控陣檢測技術(shù)的發(fā)展，計算機技術(shù)和微電子電路技術(shù)進一步發(fā)展，發(fā)射和接收裝置的進一步創(chuàng)新，探頭模塊材料的進一步選用，客服使用中得缺點，都給它的研究和使用提供了強大的生命力。三研究內(nèi)容及實驗方案： 3.1 研究內(nèi)容：研究超聲相控陣對鋼管桁架相貫節(jié)點焊縫進行超聲檢測的方法，經(jīng)過對多普勒超聲相控陣儀器的檢測原理以及使用方法的學習后對鋼管桁架的相貫節(jié)點焊縫進行超聲相控陣檢測，在對鋼管桁架節(jié)點焊縫區(qū)域?qū)嵭卸嘟嵌龋煌采w率，以及帶斜楔的探頭使用不同數(shù)目的陣元（晶片）數(shù)時，對缺陷檢測的影響情況。通過對比得出最優(yōu)檢測方案。3.2多普勒相控陣儀器3.2.1 儀器簡介 Phascan是多浦樂公司自主研發(fā)的高水平便攜式超聲相控陣檢測儀，它因匯聚了獨立的128個硬件發(fā)射通道、支持1024個聚焦法則、功能強大的數(shù)據(jù)分析處理軟件和“超聲模擬計算器”等先進技術(shù)而在同類產(chǎn)品中具有更強的實用性，是開展超聲相控陣檢測技術(shù)研究與應用的首選。Phascan配備了10.4英寸高亮高分辨率彩色液晶觸摸屏，在可圖像化同時顯示多種掃查方式的檢測結(jié)果之外，既能保證檢測結(jié)果的可靠性，又方便管理部門監(jiān)控、存檔與作進一步的缺陷分析。3.2.2 超聲相控陣檢測原理 超聲相控陣是超聲探頭晶片的組合，由多個壓電晶片按一定的規(guī)律分布排列，然后逐次按預先規(guī)定的延遲時間激發(fā)各個晶片，所有晶片發(fā)射的超聲波形成一個整體波陣面，能有效地控制發(fā)射超聲束（波陣面）的形狀和方向，能實現(xiàn)超聲波的波束掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦。它為確定不連續(xù)性的形狀、大小和方向提供出比單個或多個探頭系統(tǒng)更大的能力。然后采用機械掃描和電子掃描相結(jié)合的方法來實現(xiàn)圖像成像。3.2.3 陣列排布類型相控陣晶片在探頭中排布的幾何形狀要有三種情況：l 線性（線陣列）l 面型（二維矩陣）l 環(huán)形（圓形陣列）3.2.4掃描方式l 動態(tài)深度聚焦（DDF）：超聲束沿著聲束軸線對不同聚焦深度進行掃描。實際上發(fā)射聲波時使用單個聚焦脈沖，而接受回波時則對不同深度重新聚焦。l 扇形掃描（方位掃描或角掃描）：使陣列中相同晶片發(fā)射的聲束對某一聚焦深度在掃描范圍內(nèi)移動，而對其它不同焦點深度可增加掃描范圍。扇形掃描區(qū)大小可變。3.2.5相控陣檢測的優(yōu)點與局限性l 優(yōu)點（1） 檢測可靠性好。相控陣檢測可同時形成A掃、B掃、C掃及扇形成像，即可形成多角度的掃描，可發(fā)現(xiàn)不同角度的缺陷，檢測效果好。（2） 通過聚焦法則的設置可以實現(xiàn)聲束的偏轉(zhuǎn)、深度動態(tài)聚焦，用一只相控陣探頭就可以對不同規(guī)格的構(gòu)件實現(xiàn)檢測。（3） 超聲檢測分辨力好。相控陣可以實現(xiàn)動態(tài)聚焦，在不同深度處形成焦點，因此檢測分辨檢測力好。（4） 檢測速度快、效率高?，F(xiàn)場檢測時，只需對環(huán)焊縫進行一次線性的掃描，無需來回移動作鋸齒狀掃描即可完成全焊縫的掃描。（5） 檢測結(jié)果可以實現(xiàn)數(shù)字化的存儲，實現(xiàn)檢測結(jié)果的動態(tài)回放和永久性保存。（6） 檢測作業(yè)小，無輻射無污染。（7） 不移動探頭或者少移動探頭就可以檢測大厚度工件和形狀復雜工件的各個區(qū)域，成為解決可達性差和空間限制問題的有限手段。l 局限性（1） 對溫度度有一定的敏感性，對工件表面光潔度要求較高。（2） 儀器調(diào)節(jié)過程較復雜，調(diào)節(jié)準確性對檢測結(jié)果影響較大。（3） 檢測對象有局限性。（4） 設備價格較高。（5） 相控陣超聲檢測對橫向裂紋不敏感。（6） 對相控陣檢測的數(shù)據(jù)分析要有一定的經(jīng)驗。3.3 實驗方案：超聲相控陣檢測原理：超聲換能器的聲場分布與其自身的陣元頻率、陣元大小及換能器平面結(jié)構(gòu)等相關(guān)。本章將通過對單個換能器的輻射聲場的研究，進而推導出超聲相控陣實現(xiàn)聲束聚焦的數(shù)學模型，進一步為超聲相控陣理論研究提供基礎。l 步驟3.3.1 查閱相關(guān)文獻，了解國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3.3.2 Phascan多普勒便攜式超聲相控陣檢測儀(1) 使用儀器前認真閱讀說明書，了解儀器組成模塊。(2) 熟悉儀器的主要功能特點、超聲檢測菜單設置及維護保養(yǎng)。3.3.3進行實驗l 相控陣檢測校準設置（1） 進行檢測前，初始化現(xiàn)有的參數(shù)設置。（2）選取試塊及對接焊板試樣在儀器上對探頭類型、晶片形狀、探頭尺寸、陣列參數(shù)、楔塊、聚焦參數(shù)、信號項、陣列設置以及檢測對象等的參數(shù)進行設置。（3）對超聲檢測儀器的超聲系統(tǒng)進行完整的系統(tǒng)校準。包括聚焦法則聲速和延遲校準、靈敏度校準、TCG曲線校準。（4）初始化校準參數(shù)設置，直到熟練掌握并理解各部分作用為止。l 數(shù)據(jù)測量及分析（1） 對所選取的對接焊板試樣的焊縫區(qū)域進行檢測，記錄缺陷的相關(guān)數(shù)據(jù)。（2） 分析所得數(shù)據(jù)，掌握操作技巧。（3） 選取鋼管桁架試樣，并重復以上相控陣檢測校準設置步驟。（4） 對鋼管桁架相貫節(jié)點焊縫區(qū)域進行檢測，記錄其缺陷相關(guān)數(shù)據(jù)。（5） 分析數(shù)據(jù)，并與導師探討得出實驗結(jié)論。四、目標、主要特色及工作進度4.1目標： 通過對鋼管桁架相貫節(jié)點焊縫超聲相控陣的檢測，對相貫節(jié)點焊縫進行檢測，顯示出缺陷的形狀，大小，定位，定性等，并對參數(shù)進行優(yōu)化，使得檢測更加的精準，從而達到指導實際檢測的目的。4.2主要特色：l 超聲相控陣可以實現(xiàn)快速檢測，操作靈活方便、缺陷定位準確，檢測靈敏度高以及可控性好具有推廣的實用價值。l 檢測結(jié)果直觀，可實現(xiàn)實時顯示；在掃查的同時可對焊縫進行分析、評判。l 對常見的對接焊縫中的的氣孔、未焊透和未熔合等體積型缺陷識別能力強，不用考慮其方向性；但是對裂紋缺陷的檢測要考慮超聲波傳播時方向性。否則有可能超聲波傳播的路徑與裂紋缺陷位置一致時，因超聲波不存在反射波，無法獲取缺陷信號，可能導致漏檢。l 超聲相控陣最顯著的特點是能準確的檢測處缺陷的位置和大小。l 相控陣參數(shù)設置上可以進行參數(shù)的方便快捷設置，可以處理任意幾何形狀和材料的工件，并可以計算從最簡單到最復雜的相控陣檢測方案。屏幕的多模塊化，讓工作效率大大提高。4.3工作進度：20xx.03.0920xx.04.10 文獻查閱，外文翻譯，開題報告撰寫 20xx.04.1120xx.04.15 研究鋼管桁架相貫節(jié)點焊縫的性質(zhì) 20xx.04.1620xx.04.30 研究相貫節(jié)點焊縫檢測方案并討論 20xx.05.0420xx.05.15 進行反復試驗，獲取實驗數(shù)據(jù) 20xx.05.1620xx.05.31 資料歸檔，數(shù)據(jù)處理、總結(jié) 20xx.06.0120xx.06.26 撰寫畢業(yè)論文，準備畢業(yè)答辯 五、參考文獻1 王國凡等.鋼結(jié)構(gòu)焊接制造M.化學工藝出版社.20042 史耀武.焊接技術(shù)手冊M.化學工業(yè)出版社.2009.3 Jonathan,Buttram.UltrasonicmethodfortheaccuratemeasurementofcrackheightindissimilarmetalweldingphasedarrayP.US2007000328A1USA,200 ThomasJames,Batzinger,HillsBurrnt.PhasedarrayultrasonicinspectionmethodforindustrialapplicationsP.US678942782USA,200 SpeciallinearphasedarmyprobesusedforultrasonicexaminationofcomplexturbinecomponentsJ.Poguet.Jereer.Barcelona,Spain,2002:17-21.6 ErhardA,SchenkGUltrasonicphasedarraytechniqueforausteniticweldinspectionC.15thWCNDTM/CD,Rome,2000.7 SteveMahaut.用動態(tài)自適應超聲聚焦系統(tǒng)確定缺陷特性(譯文)J.無損檢測.1998,20(8):236-238.8 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