对接焊缝中特征导波传播特性及与典型缺陷作用机理研究

摘要

焊缝结构是船舶等平台中的关键连接部位，在工业生产和生活中有着广泛应用。然而，焊缝中存在的缺陷将大大降低相关设备的安全可靠性，严重时会导致重大的安全事故，造成巨大的人员和财产损失，因此，焊缝的检测是船舶制造维护过程中的刚性需求。
　　超声导波焊缝检测是焊缝无损检测领域的一种新的检测方法，相对于传统方法，超声导波焊缝检测技术具有检测范围广、检测效率高、对人体无害等优点，一次检测即可测量整个厚度范围内的所有缺陷，并且可同时实现缺陷定位与尺度检测。研究超声导波在焊缝及焊缝缺陷处的模态转换与散射，探索导波与焊缝的作用机理，具有重要的学术和应用价值。本文从基础理论研究着手，通过数值模拟与实验研究相结合的方式，分析了焊缝特征导波的形成原理及能量衰减现象，对焊缝中的特征导波的传播特性及其与焊缝缺陷的相互作用进行了相关研究，获得了一些主要结论和成果：
　　(1)基于平板中超声导波的基本理论，建立了钢板对接焊缝的三维有限元模型，研究了对接焊缝结构参数和材料参数的变化对两种基态的焊缝特征导波模态（Sw0模态和SHw0模态）传播规律的影响。以水平方向上的能量分布和传播过程中的衰减特性为指标，分析不同焊缝参数下的模拟结果，得到如下结论：当焊缝余高增加时，焊缝中两种特征导波模态在焊缝中的能量束缚随之加强，衰减率逐渐增大，但 SHw0模态能量的平均增长率更大，衰减率更低；当焊缝宽度增加时，焊缝中Sw0模态的能量逐渐增加，衰减率不变，而 SHw0模态的能量在某点处出现极大值，且该点处衰减率最低；当泊松比变化时，焊缝中Sw0模态与SHw0模态的能量与之呈正相关关系，Sw0模态的衰减率不变，而SHw0模态的衰减率随之变化；SHw0模态较Sw0模态在焊缝及焊缝区域的能量更为集中，对焊缝各项参数较为敏感。
　　(2)运用有限元方法分别模拟了两种焊缝特征导波在不同焊缝缺陷处的散射情况，研究了特征导波与焊缝缺陷的相互作用，分析了缺陷回波波形与缺陷类型的关系。对焊缝中的两种特征导波模态在缺陷处的散射特性及缺陷识别能力进行了对比研究。结果表明：通过分析散射场中是否存在 A0模态可以判别缺陷是否通透；反射场与焊缝作用后仍然会在焊缝中产生相同的特征模态；SHw0模态与缺陷作用后的缺陷回波反射率更高，焊缝缺陷更易识别；根据 SHw0模态与缺陷作用后散射场的断裂程度与非对称性，可以分别判断焊缝中孔洞缺陷的严重程度和裂纹所在位置。
　　(3)建立了焊缝特征导波无损检测实验系统，对焊缝中的两种特征导波的传播特性进行了实验研究，检测了焊缝中的三种典型缺陷。在焊缝中有效激励出了 SHw0模态和Sw0模态，分别对三块不同参数下的对接焊缝中特征模态传播规律进行了检测，验证了数值模拟的准确性。分别对焊缝中的三种典型缺陷进行了检测，结果表明：对于点蚀缺陷，两种特征导波模态均能有效识别，且SHw0模态定位精度更高；对于裂纹缺陷，Sw0模态导波对横向裂纹较为敏感，难以检测焊缝中的纵向裂纹，而SHw0模态则相反。
　　特征导波焊缝检测技术具有广阔的发展前景，已逐渐成为国内外专家学者及技术人员的研究热门。本文的研究为对接焊缝的无损评价提供了一种参考方法，模拟结果为深入研究焊缝特征导波传播特性提供了理论依据和参考，实验研究结果则为实际的特征导波焊缝无损检测提供了数据参考。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2 焊缝检测技术研究现状

1.3超声导波焊缝检测技术研究现状

1.4 本文主要研究内容

第二章 超声导波理论基础及焊缝特征导波形成

2.1 相速度与群速度概念

2.2 Lamb波理论基础

2.3 SH波理论基础

2.4 焊缝特征导波形成机理

2.5 基于特征导波的焊缝无损检测原理

2.6 本章小结

第三章 对接焊缝中特征导波传播数值模拟

3.1 对接焊缝物理模型建立

3.2 对接焊缝有限元模型建立

3.3 吸收边界设置

3.4 数值模拟结果

3.5 本章小结

第四章 焊缝参数对焊缝特征导波传播特性的影响

4.1焊缝余高对焊缝特征导波传播特性的影响

4.2 焊缝宽度对焊缝特征导波传播特性的影响

4.3 焊缝材料对焊缝特征导波传播特性的影响

4.4 本章小结

第五章 焊缝特征导波与典型焊缝缺陷的相互作用

5.1 焊缝特征导波与焊缝点蚀缺陷的相互作用

5.2 焊缝特征导波与裂纹缺陷的相互作用

5.3 本章小结

第六章 焊缝特征导波传播特性实验研究

6.1实验系统及准备

6.2 焊缝“能陷效应”验证

6.3 不同焊缝尺寸参数下的特征导波传播特性实验

6.4 对接焊缝缺陷检测实验

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1总结

7.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他科研成果