利用压电超声导波时间反转法的管道结构裂纹监测研究

摘要

本文的主要工作是对压电超声导波时间反转法在管道结构健康监测中应用进行研究。与传统的管道结构常规超声无损监测过程相比，时间反转法可以很好地解决传统方法中聚焦点散焦，形成相差畸变、图像失真和模糊问题。结构健康监测的超声导波时间反转处理可以使复杂的信号实现信号聚焦或重建，且参与的传感器数量越多，聚焦效果越明显;信号复杂程度越高，聚焦前后信号的反差越大。本文在国内首次对充液埋地管道结构的裂纹监测进行了理论和试验研究。开发了一套快捷准确的试验系统，对准确判定管道结构完整性，提高其监测水平具有重要的现实意义。主要的研究成果可以概括为以下几个方面。
　　(1)根据时间反转方法基本原理推导了超声导波时间反转聚焦理论公式并进行试验验证。对单个以及多个压电传感器在板中的信号时间反转聚焦过程进行了试验研究，实现了对窄带超声导波信号的时反聚焦，为后续试验奠定基础。结果表明:板中聚焦信号分为两部分，第一部分为零时刻主波峰，该波峰为监测信号中多个模式的聚焦，也是各监测信号的聚焦，波峰幅值显著增大;第二部分为旁瓣波峰，各旁瓣出现的时刻也不尽相同，互相之间不会发生叠加，有时甚至会互相抵消，主波峰信号显著突出。
　　(2)研究确定合理的选择在管道中传播的超声导波模态和激励频率的基本原则，使其频散最小，以简化管道超声回波信号分析的复杂性。根据频散曲线的模态特征及管道径向位移和应力分布曲线，确定导波的模态和激励频率，通过截止频率计算和频散曲线比较，确定激励频率盲区的范围;根据信号的频谱图和激励脉冲的宽度来确定激励信号的周期数。多个单音频叠加信号经HANNING窗调制窄带激励，既可以提高信号强度，又可以增加导波的传播距离。结果表明:周期数目高的信号，频带窄，有利于频率控制;周期数多，在时域内信号持续时间长，波形易叠加，一般折中选择。
　　(3)根据脉冲回波法，分别对无损管道、含周向裂纹管道、含轴向裂纹管道和含不同夹角的斜裂纹管道进行了数值模拟。给出了L(0，2)模态和T(0，1)模态导波在管道中传播的可视化结果，并对导波在有损和无损管道中的传播情况做了分析。对各种损伤信号进行时间反转处理，并进行了比较。对含裂纹管道模拟的结果表明:导波在缺陷处不但发生反射和透射现象，而且还会发生模态转换，其转换的模态多为弯曲模态;当激励的导波能量相当时，时间反转导波监测方法获得的信号中缺陷回波的幅值将比直接导波监测方法获得的大，因此，对小缺陷的监测能力增强。缺陷造成的模态转换现象和时间反转信号取点率是决定时间反转聚焦增强监测能力的重要因素。
　　(4)利用压电超声导波对管道结构中缺陷进行监测的试验研究。分别在管道中激励L(0，2)模态和T(0，1)模态的导波信号，对管道中存在的周向裂纹、轴向裂纹和斜裂纹分别进行监测，确定缺陷所在位置以及各模态所敏感的缺陷形式。试验结果表明:将各时间反转激励信号单独激励再叠加的方式可以增强导波缺陷监测能力，并将此过程称为近似时间反转监测。信号经时间法反转处理后，无论对于周向裂纹、轴向裂纹、还是斜裂纹缺陷反射系数较直接导波监测方法有所增大，说明时间反转方法有利于小缺陷的监测。同时在信号中出现了许多其它模态的波包，会对信号的判读造成一定影响。在管道参数等条件相同的前提下，模态转换现象越严重，时间反转法越能在更大程度上提高原有导波缺陷监测的能力。这与数值模拟得到的分析结果是一致的。
　　(5)推导出了充液埋地管道的频散方程，计算了管道中不同模态的频散和衰减等特性。随着频率的增加，模态衰减值也相应增大，同时导波波长变小，对缺陷更加灵敏。由于衰减随频率增大而增大，监测距离也随之缩短。因此，在工程实际中需要根据监测需要，进一步选择频率和衰减适中的纵向模态用于该类管道中不同类型的缺陷监测。建立了一套试验系统，对导波在管道充液埋地状态下的传播特性进行了研究。对充液埋地状态下的管道进行了试验研究，并将时间反转法在充液埋地管道结构健康监测中进行了应用，对理论分析得到的结论进行了验证。

目录

声明

摘要

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 研究历史和现状

1．2．1 国外研究历史和现状

1．2．2 国内研究历史和现状

1．3 基于压电材料的结构健康监测

1．3．1 基于压电材料的被动监测

1．3．2 基于压电材料的主动监测

1．4 主要研究内容及特色

1．5 本章小结

2 压电效应与超声导波的基本理论

2．1 压电材料基本性能

2．1．1 压电材料与压电效应

2．1．2 压电作动器与传感器

2．2 超声导波的基本概念与分类

2．3 群速度和相速度

2．4 导波的多模态和频散现象

2．5 周向导波

2．6 柱面导波

2．7 空心圆管中导波模态分析

2．7．1 L模态

2．7．2 T模态

2．7．3 F模态

2．8 本章小结

3 压电超声导波时间反转基本理论及试验验证

3．1 引言

3．2 时间反转产生的技术背景

3．2．1 时间反转镜技术在超声领域中的发展

3．2．2 固体中的时间反转技术及研究现状

3．3 超声导波时间反转聚焦分析

3．3．1 单个作动器／传感器的超声导波时间反转过程

3．3．2 多个传感器(压电阵列)的超声导波时间反转聚焦过程

3．4 时间反转法在板中试验验证

3．4．1 单个压电作动器／传感器对超声导波的时间反转聚焦试验及结果

3．4．2 多个压电作动器／传惑器对超声导波的时反聚焦试验及结果

3．5 本章小结

4 管道结构压电超声导波裂纹监测数值模拟

4．1 有限元数值模型

4．1．1 单元选取

4．1．2 模型建立

4．2 超声导波管道裂纹监测中激励频率和模态选择

4．2．1 激励信号选取

4．2．2 激励信号周期

4．2．3 截止频率

4．3 时间反转法的基本流程

4．4 全信号取点率对监测能力的影响

4．5 模拟及结果分析

4．5．1 周向裂纹

4．5．2 轴向裂纹

4．5．3 斜向裂纹

4．6 本章小结

5 空心直管结构压电超声导波裂纹监测试验

5．1 管道结构超声导波裂纹监测理论

5．2 试验目标与试验系统

5．2．1 试验目标

5．2．2 试验系统

5．3 无缺陷管道超声导波监测试验

5．4 时间反转导波监测试验

5．4．1 时间反转导波监测试验过程

5．4．2 含周向裂纹管道结构损伤监测

5．4．3 含轴向裂纹管道结构损伤监测

5．4．4 含斜向裂纹管道结构损伤监测

5．5 本章小结

6 充液埋地管道结构超声导波理论研究与裂纹监测试验

6．1 充液埋地管道结构超声导波监测理论

6．2 试验系统

6．3 基于纵向导波的充液埋地直管斜裂纹监测

6．3．1 纵向导波的频散曲线和激励频率的选择

6．3．2 试验结果及分析

6．3．3 含不同角度斜裂纹管道结构损伤时间反转监测

6．4 基于扭转模态导波的埋地充液直管轴向裂纹监测

6．4．1 扭转导波激励频率的选择

6．4．2 试验系统

6．4．3 试验结果及分析

6．4．4 时间反转结果及分析

6．5 基于纵向导波的弯管焊缝监测

6．5．1 理论分析

6．5．2 试验系统

6．5．3 试验结果与分析

6．6 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点摘要

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

纵向课题及获奖情况

致谢

作者简介