弯管中超声导波的模态分析及其缺陷检测

摘要

近年来，超声导波无损检测技术由于传播距离远、检测速度快、衰减小、效率高等优点，而且检测时无须剥离包覆层，能进行高温检测，能检测管道整个截面的信息，已逐渐成为管道无损检测技术研究与发展的重要方向。为了指导超声导波无损检测技术在实际检测中的应用，本文利用ANSYS有限元分析软件数值模拟L(0,2)导波在直管和弯管中的传播特性，以及检测直管和弯管中的裂纹缺陷。
　　根据超声导波的频散特性和模态转换现象，本文选择纵向模态L(0,2)导波作为管道缺陷检测的模态导波。
　　首先，对超声导波的传播特性进行分析：对直管和弯管中的L(0,2)导波传播进行可视化模拟，通过对比发现导波经过管道弯曲部分时，发生了模态转换现象；当弯管材料物性发生变化时，L(0,2)导波的透射系数发生变化，从其透射系数曲线可以发现激发频率在（80~95）kHz时，L(0,2)导波的透射系数相对较高，从理论上表明更适合检测弯管中的缺陷。
　　其次，对含不同尺寸裂纹缺陷的直管和弯管进行模拟研究；发现相同尺寸的直管裂纹缺陷反射回波信号比弯管裂纹缺陷反射回波信号强，说明管道弯曲部分会阻碍导波的传播；随着裂纹缺陷尺寸的增大，其反射回波信号也增强。当管道材料物性发生变化时，从模拟计算结果看，发现裂纹缺陷反射回波信号强度和端面反射回波信号强度都发生改变，有的甚至出现模态转换现象。
　　最后，模拟温度在20℃、100℃、300℃和500℃四种情况下管道的裂纹缺陷，发现温度升高，导波波速会变小，并且发生模态转换现象。
　　本文基于数值模拟研究L(0,2)导波在直管和90°弯管中的一些传播特性以及检测裂纹缺陷的一些数据，为管道检测的工程应用提供了重要理论依据。

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第一章 绪论

1.1 课题来源以及研究的背景和意义

1.2 国内外关于该课题的研究现状及发展趋势

1.3 本课题的主要研究内容及论文的章节安排

1.4 本章小结

1.5 各章节关系框图

第二章 超声导波的基本理论

2.1 超声导波的基本概念

2.2 超声导波的激励

2.3 超声导波的频散特性

2.4 管道材料物性变化对超声导波频散特性的影响

2.5 管道内径与壁厚之比变化对超声导波频散特性的影响

2.6 超声导波无损检测技术常用的模态

2.7 L(0,2)导波在管道中的传播

2.8 本章小结

第三章 有限元模型

3.1 模拟方法的选择

3.2 有限元模型的建立

3.3 激励信号的选取及施加

3.4 定义边界条件及设置时间参数

3.5 本章小结

第四章 L(0,2)导波在管道中传播的数值模拟

4.1 L(0,2)导波在管道中传播的可视化模拟

4.2 管道材料物性变化对L(0,2)导波传播特性的影响

4.3 本章小结

第五章 管道中裂纹缺陷检测的数值模拟

5.1 直管中裂纹缺陷的数值模拟

5.2 弯管中裂纹缺陷的数值模拟

5.3 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附录

致谢