發(fā)布時間：2019-07-28 15:38

【摘要】：建立了壓電材料與管道結(jié)構(gòu)的超聲與機(jī)械多物理場耦合有限元數(shù)值分析模型,采用ANSYS數(shù)值分析軟件,在認(rèn)識管道中導(dǎo)波頻散特性的基礎(chǔ)上,對利用壓電陶瓷(PZT)激發(fā)的縱向?qū)РㄟM(jìn)行數(shù)值模擬,探究壓電超聲用于管道損傷識別的機(jī)理。在管道模型的自由端周向分布16個PZT激勵器激發(fā)入射導(dǎo)波,運用與之相距50mm處的PZT接收檢測信號,對不同尺寸的單裂紋管道模型進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明,運用縱向?qū)Рz測能準(zhǔn)確識別出管道缺陷的存在,且回波的幅值與缺陷尺寸有明顯的正相關(guān)性,對接收信號時程進(jìn)行分析可較準(zhǔn)確地定位缺陷位置。
【圖文】：

ｐ為相速度；ｃｇ為群速度；ω為角頻率；ｋ為波數(shù)。ｆ＝ｋｃｐ２π（３）式中ｆ為頻率。由式（１）～（３）可知，ｃｐ和ｃｇ的關(guān)系可表示為ｃｇ＝ｄ（ｋｃｐ）ｄｋ＝ｃｐ＋ｋｄｃｐｄｋ＝ｃｐ＋ｆｄｃｐｄｆ（４）由式（４）可知，，當(dāng)ｃｐ＝ｃｇ時該模態(tài)導(dǎo)波沒有發(fā)生頻散變化。１．２．１導(dǎo)波的模態(tài)在空心圓柱管中沿軸向傳播的超聲波存在軸對稱的縱向和扭轉(zhuǎn)模態(tài)，以及非軸對稱彎曲模態(tài)。其傳播特征如圖１所示。圖中，Ｕｉ為位移坐標(biāo)分量，下角ｚ、ｒ、θ分別表示軸向、徑向、轉(zhuǎn)角位移分量。圖１管道中３種模態(tài)導(dǎo)波傳播示意圖普通的激勵信號可能激發(fā)多個模態(tài)的導(dǎo)波，從而給信號分析帶來麻煩，故根據(jù)不同模態(tài)導(dǎo)波的激勵條件不同，激發(fā)出單一模態(tài)的導(dǎo)波作為檢測信號能簡化信號分析。本文模擬軸對稱分布的ＰＺＴ傳感器作為激勵傳感器，產(chǎn)生軸對稱縱向?qū)Р�，通過傳感器陣列數(shù)控制來抑制彎曲模態(tài)［４］，不產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)模態(tài)，實現(xiàn)單一縱波模態(tài)的激發(fā)。本文采用的計算模型在８０ｋＨｚ時，彎曲模態(tài)最高階數(shù)為１３，故周向?qū)ΨQ分布的ＰＺＴ傳感器多于１３個即可抑制彎曲模態(tài)。本文實質(zhì)模擬中采用了１６個ＰＺＴ傳感器。１．２檢測原理導(dǎo)波在管道中傳播時，遇到缺陷會發(fā)生反射、透射和模態(tài)轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生攜帶結(jié)構(gòu)缺陷信息的反射回波，對接收的信號待定指標(biāo)（如波形變化、幅值變化、波包增減等）進(jìn)行分析，即可判斷缺陷的存在及位置。圖２為缺陷檢測原理圖。圖中，ｔ１為激勵信號首次到達(dá)接收端的時間點，ｔ２為缺陷回波到達(dá)接收端的時間點

所示。表２管道材料特性材料名稱彈性模量／ＧＰａ泊松比密度／（ｋｇ·ｍ－３）鋼材２０６０．２９０７９３０根據(jù)管道模型末端的回波時間，傳播總時間為０．６２５ｍｓ，時間步長為０．６２５μｍ，在瞬態(tài)分析類型中選擇完全瞬態(tài)分析法（Ｆｕｌｌ方法）。管道模型中，軸向單元寬度為３ｍｍ，并對缺陷附近２０ｍｍ范圍的單元加密，裂紋處單元寬度為２ｍｍ，裂紋模型的裂紋位置在距接收信號位置０．４５ｍ處，接收信號位置距管道激勵端５０ｍｍ。模型如圖４所示。圖４管道有限元模型２．３缺陷分析２．３．１波場快照與傳播機(jī)理管道中的導(dǎo)波，當(dāng)遇到傳播介質(zhì)界面不連續(xù)，即存在缺陷時，發(fā)生反射、折射、散射及導(dǎo)波模態(tài)的轉(zhuǎn)換。本文采用脈沖回波法，對所接收的回波信號進(jìn)行處理，以確定所檢測管道的缺陷信息。有、無缺陷時，應(yīng)力波在管道內(nèi)的傳播示意圖如圖５所示。由圖可見，當(dāng)應(yīng)力波到達(dá)缺陷時，發(fā)生了明顯的反射。圖５應(yīng)力波傳播快照２．３．２缺陷尺寸敏感性分析本文設(shè)計的缺陷尺寸為軸向２ｍｍ寬的貫通裂縫，并通過周向裂縫長度來控制缺陷面積的尺寸大校定義缺陷尺寸系數(shù)Ａ，Ａ為裂縫長度占管道周長的比例。本文選�。粒剑啊ⅲ保保�、１／８、３／１６、１／４的５種工況進(jìn)行了計算。為了能清楚地反映出缺陷對接收信號的影響，本文對Ａ＝０，１／１６的接收信號進(jìn)行對比，如圖６所示。當(dāng)Ａ＝１／１６時，接收信號出現(xiàn)了新的波包，原因是缺陷處的反射回波及缺陷的存在，導(dǎo)波發(fā)生了模態(tài)的轉(zhuǎn)化。圖６回波時程曲線提取缺陷回波的第一個波包信號進(jìn)行分析，結(jié)果如
【作者單位】： 湖南大學(xué)土木工程學(xué)院;華僑大學(xué)土木工程學(xué)院;華僑大學(xué)福建省結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)重點實驗室;
【基金】：國際科技合作與交流專項基金資助項目(2014DFE70230) 湖南省科技計劃重點項目(2014TT1006)
【分類號】：U178

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本文編號：2520155