超声表面波及其检测管道表面缺陷的数值研究

摘要

管道运输作为铁路、公路、水路、航空、管道运输中五大运输方式之一，它对国民经济与社会的发展起着十分重要的作用。然而在管道制造和使用过程中，管道表面裂缝所引起的安全事故对社会环境和人身安全造成了巨大的安全隐患。因此对管道表面裂缝的检测显得十分重要。超声表面波检测技术作为一种应用于检测试件表面损伤的可靠的缺陷检测方式，相对于其它检测方式，具有更高效的检测效率。
　　本文基于弹性波在均匀弹性介质中的振动传播理论，采用有限元分析方法，建立了多种关于超声表面波用于管件表面缺陷检测的有限元模型;分析了超声表面波在介质表面传播时与表面缺陷相互作用的现象，验证了超声表面波用于介质表面缺陷的检测具有良好的可行性。首先在二维平面上建立了超声表面波在介质表面传播的基本模型，采集了介质表面上不同点处竖直方向上的振动位移信号，对振动位移曲线中的纵波，横波，表面波进行了速度分析计算，并与理论速度对比印证，表明了该模型用于超声表面波在管道表面的传播仿真计算具有良好的可行性。然后基于表面波的基本特性，采用了分层划分网格模型，把介质人为的划分为表面波层和体波层，针对不同的波层，将网格单元划分为不同的长度，以此在保证模型计算结果精确的同时，大大减少模型的计算量和计算时间，提高了模拟仿真的效率。其次在二维平面上，利用有限元仿真软件模拟分析了超声表面波与平面介质表面上的缺陷相互作用的现象。然后模拟分析了超声表面波在沿着管道表面周向传播时，超声表面波与管道表面缺陷相互作用的现象。对比分析了超声表面波在平面传播时与曲面传播时的差异。最后建立了超声表面波在物体表面传播的三维模型并对此展开了研究。分别建立了点声源、线声源两种声源模型下，超声表面波在有无缺陷的平面介质表面和管道表面传播的仿真模型。对比分析了表面有无缺陷对采集到的竖直方向上位移振动信号的影响。并对比分析了介质表面上缺陷位置的改变对同一点上采集的位移振动信号的影响。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的目的和意义

1．2 研究现状

1．2．1 表面缺陷的研究进展

1．2．2 超声探伤数字研究进展

1．2．3 信号处理技术在超声检测中的应用

1．3 本文的主要研究内容

第二章 弹性波在固体中的传播理论

2．1 弹性介质中的质点运动方程

2．2 各项同性弹性介质中的波动方程

2．3 声表面波的基本性质

2．4 沿圆柱表面传播的声表面波

2．5 本章小结

第三章 二维有限元声表面波与缺陷相互作用的数值模拟

3．1 有限元软件介绍

3．2 有限元的原理及声表面波在有限元中的表现形式

3．2．1 有限元法基本原理

3．2．2 有限元法基本步骤

3．2．3 有限元超声波动方程

3．3 声表面波的产生

3．4 模拟声波在半无限大固体介质中的传播

3．4．1 网格和时间步长的选取

3．4．2 边界处理

3．5 声表面波在固体表面传播的二维模型

3．5．1 介质表面形成的声表面波

3．5．2 介质分层网格处理

3．5．3 声表面波与平面介质缺陷的相互作用现象

3．5．4 声表面波与曲面介质缺陷的相互作用现象

3．6 本章小结

第四章 三维有限元声表面波与缺陷相互作用的数值模拟

4．1 超声表面波在三维立体平面上的传播

4．1．1 超声表面波在表面无缺陷的三维立体平面上传播

4．1．2 超声表面波在表面具有缺陷的三维立体平面上传播

4．2 超声表面波在三维立体管道表面上的传播

4．2．1 超声表面波在表面无缺陷的三维立体管道表面上的传播

4．2．2 超声表面波在表面具有缺陷的三维立体管道表面上的传播

4．3 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 总结

5．2 展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论文及取得的科研成果