基于超声导波技术的复合管道损伤研究

摘要

现代工业的发展，使得管道运输在输送载体运输业中占有举足轻重的地位，不仅带来交通便利，还极大增加经济效益。但由于管道在生产、装配和服役过程中存在诸多问题，环境的恶劣更会对管道造成严重腐蚀或挤压，因此它的安全性能显得尤为重要，传统的检测技术无法对在役管道进行快速又准确的检测，急需一种新型的检测技术来满足工业需求。超声导波无损检测技术其本身频率相对较低、沿线检测、传播距离长等特性，是管道损伤检测的首选。 本文详细介绍了基于谱方法求解复合管道中导波的频散方程，代替原本的传统搜根方法，将未知函数利用Chebyshev多项式作为插值基函数，将位移、应力及应变方程转化为微分矩阵的形式，再根据交界面连续条件和边界条件，替换到纵波和横波速度Helmholtz等式中相对应的行，最终以微分项形式表示线性方程组求解。 利用MATLAB数值编程，在分析了各种复合管道对于导波波数和相速度的选取原则下，分别计算出频散曲线、衰减曲线和位移分布曲线。通过对频散、衰减及位移分布曲线进行分析，可以确定波数和相速度随频率的变化规律，找到适合各种复合管道损伤检测的模态及频率；充液弹性管道相比于空心弹性管道，由于水和管道耦合作用，出现了未知?模态，模态数也在变化；充液黏弹性管道相比于黏弹性管道，由于黏弹性材料具有衰减性，各阶模态衰减较严重，在一定频率范围内出现了两种截断模态；带包覆层的充液弹性管道和双层充液弹性管道，导波传播特性更加复杂，都出现了未知?模态，仅在充液状态下存在。 采用 L(0,2)模态对管道和充液管道进行损伤检测，ANSYS 数值仿真管道的各种缺陷，为了更贴近实际缺陷，利用几何建模和分段划分网格的形式进行前处理，减少误差；L(0,2)模态在对管道和充液管道的损伤检测中，提出频散修正系数，分析反射系数与缺陷信息之间的关系，基于控制变量法，得到反射系数随周向缺陷、径向缺陷变化趋势；仿真验证充液情况下的反射系数与空心管道反射系数的大小；采取位移时程曲线节点叠加原理，使得反射信息更加明显，可以更有效的判断缺陷位置和损伤程度。

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