本文關(guān)鍵詞：管道超聲導(dǎo)波損傷檢測(cè)與特征識(shí)別

  更多相關(guān)文章： 管道檢測(cè) 超聲導(dǎo)波 損傷特征識(shí)別 特征提取 變形檢測(cè)

【摘要】：管道在能源、化工、城市建設(shè)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。腐蝕、變形等損傷是管道運(yùn)營(yíng)過程中的重大安全隱患,定期對(duì)管道進(jìn)行無損檢測(cè)是保障其安全運(yùn)營(yíng)的重要措施。超聲導(dǎo)波技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)管道的損傷檢測(cè),具有檢測(cè)距離長(zhǎng)、效率高、成本低等諸多優(yōu)勢(shì)。然而,受管道中導(dǎo)波激發(fā)效率、導(dǎo)波與損傷相互作用復(fù)雜性等因素的影響,損傷的特征識(shí)別問題仍面臨挑戰(zhàn)。這一問題的解決對(duì)于掌握管道的健康狀況,進(jìn)而開展管道剩余壽命評(píng)估以及管道維護(hù)和維修至關(guān)重要。 本文的目的是基于管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)進(jìn)一步發(fā)展影響損傷特征識(shí)別實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),探索可用于損傷特征識(shí)別的新策略和新方法。為此,本文從導(dǎo)波檢測(cè)參數(shù)的優(yōu)化選擇,管道中導(dǎo)波的高效激勵(lì)方法與換能器設(shè)計(jì),損傷回波特征信息的高效提取技術(shù)以及導(dǎo)波與新型損傷的相互作用等方面開展了深入研究。 本文首先分析了空心圓管中縱向模態(tài)導(dǎo)波的頻散特性與檢測(cè)頻率選擇問題。根據(jù)導(dǎo)波頻散現(xiàn)象,建立了缺陷回波分辨距離與激勵(lì)信號(hào)參數(shù)間的量化關(guān)系,分析了檢測(cè)頻率優(yōu)化選擇問題。以導(dǎo)波頻散引起的信號(hào)分辨距離為依據(jù),計(jì)算了不同幾何尺寸管道中縱向模態(tài)導(dǎo)波非頻散段的限制頻率。研究表明,限定或最小化缺陷回波分辨距離,可獲得最佳的導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)周期及檢測(cè)頻率或頻段。根據(jù)導(dǎo)波頻散特性隨管道幾何尺寸的變化規(guī)律,得到了導(dǎo)波限制頻率與管道直徑和壁厚的幾個(gè)重要函數(shù)關(guān)系。這些函數(shù)關(guān)系為管道檢測(cè)時(shí)快速確定合適的檢測(cè)頻率范圍提供了依據(jù)。 管道中激發(fā)高信噪比的期望模態(tài)導(dǎo)波是獲得良好管道檢測(cè)效果的關(guān)鍵因素之一。為此,本文分析了管道檢測(cè)常用的軸對(duì)稱模態(tài)導(dǎo)波的高效激勵(lì)問題。首先建立了基于不同類型換能器的載荷模型,利用簡(jiǎn)正模態(tài)展開技術(shù)建立了導(dǎo)波激勵(lì)聲場(chǎng)與邊界載荷的量化關(guān)系,進(jìn)而從機(jī)理上闡述了載荷方向、載荷周向分布參數(shù)等因素對(duì)導(dǎo)波激勵(lì)的影響,并提出了導(dǎo)波高效激勵(lì)所需的邊界載荷條件。針對(duì)軸對(duì)稱模態(tài)導(dǎo)波激勵(lì)過程中出現(xiàn)的非軸對(duì)稱載荷,提出了一種載荷補(bǔ)償策略并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該策略能夠有效抑制非軸對(duì)稱模態(tài)導(dǎo)波的產(chǎn)生,同時(shí)也有助于改善導(dǎo)波信號(hào)的噪聲水平。 回波信號(hào)包含了豐富的損傷幾何特征信息,提取并分析這些特征信息有助于識(shí)別損傷的幾何特征。采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法,分析了管道中軸向非連續(xù)雙損傷處扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波T(0,1)的反射特征。在此基礎(chǔ)上,發(fā)展了一種基于優(yōu)化波形字典的匹配追蹤方法,該方法能夠高效的對(duì)總體損傷回波進(jìn)行分解,進(jìn)而方便的提取反映損傷幾何特征的各項(xiàng)參數(shù)信息。研究表明,依據(jù)各分解信號(hào)的相位變化可準(zhǔn)確識(shí)別管道中存在的軸向連續(xù)單損傷與非連續(xù)雙損傷；分解后的前、后損傷響應(yīng)信號(hào)時(shí)間歷程差異直接并準(zhǔn)確反映了非連續(xù)雙損傷的軸向間距；分解后的前損傷響應(yīng)信號(hào)幅度有效反映了前損傷的大小。 變形是管道的主要失效模式之一。本文通過開展實(shí)驗(yàn)研究,分析了管道局部凹陷變形處導(dǎo)波的反射特征,探討了利用導(dǎo)波技術(shù)開展管道變形檢測(cè)的可行性以及變形損傷的特征識(shí)別問題。研究表明,由于管道幾何結(jié)構(gòu)的擾動(dòng),縱向模態(tài)導(dǎo)波L(0,2)傳播至變形區(qū)域時(shí)會(huì)發(fā)生反射,且由于變形區(qū)域的非軸對(duì)稱性,部分L(0,2)導(dǎo)波將轉(zhuǎn)換為彎曲模態(tài)導(dǎo)波F(1,3)并發(fā)生反射；當(dāng)檢測(cè)頻率一定時(shí),L(0,2)導(dǎo)波反射系數(shù)隨管道變形率的增加而增大,反射的L(0,2)和F(1,3)導(dǎo)波幅度為評(píng)估變形損傷的嚴(yán)重程度及其幾何對(duì)稱性提供了參考；對(duì)于同一變形損傷,L(0,2)導(dǎo)波反射系數(shù)隨檢測(cè)頻率增加而減小,且變化趨勢(shì)與L(0,2)導(dǎo)波沿管壁的徑向位移分布隨頻率的變化關(guān)系相似,這種特性為管道檢測(cè)時(shí)識(shí)別變形損傷提供了重要依據(jù)。由此可見,超聲導(dǎo)波用于管道變形檢測(cè)是一種具有潛在吸引力的新型檢測(cè)技術(shù)。 考慮在役管道檢測(cè),本文設(shè)計(jì)了一種新型導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)包括以剪切型壓電晶片為敏感元件的換能器及其卡具陣列,導(dǎo)波激勵(lì)接收硬件子系統(tǒng)以及分析軟件。卡具陣列采用模塊化設(shè)計(jì)思想,各模塊之間通過銷軸連接進(jìn)而使陣列具備一定的柔性和可擴(kuò)展性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：環(huán)向布置的換能器陣列可在管道中高效激勵(lì)單一的T(0,1)導(dǎo)波,檢測(cè)系統(tǒng)能夠有效辨識(shí)大于3%管道橫斷面積的腐蝕損傷。發(fā)展了一種用于小口徑管線在線檢測(cè)的新型傳感器陣列。該陣列同樣采用剪切型壓電晶片作為敏感元件,具有柔性、輕質(zhì)的特點(diǎn),可表面貼裝于任意尺寸的管線外壁,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)管線狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。 本文研究結(jié)果和結(jié)論對(duì)于更好的開展管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)工程應(yīng)用,提高損傷特征辨識(shí)的準(zhǔn)確性,拓展導(dǎo)波技術(shù)應(yīng)用于不同類型損傷檢測(cè)的適用性等方面具有指導(dǎo)意義。
【關(guān)鍵詞】：管道檢測(cè) 超聲導(dǎo)波 損傷特征識(shí)別 特征提取 變形檢測(cè)
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP274.53
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-11
• 目錄11-15
• CONTENTS15-19
• 圖目錄19-23
• 表目錄23-24
• 主要符號(hào)表24-25
• 1 緒論25-45
• 1.1 問題提出與研究意義25-26
• 1.2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展26-42
• 1.2.1 研究概況26-27
• 1.2.2 管道中導(dǎo)波的傳播理論與傳播特性27-32
• 1.2.3 管道中導(dǎo)波的激勵(lì)與接收32-36
• 1.2.4 管道中非連續(xù)結(jié)構(gòu)處導(dǎo)波散射與特征辨識(shí)36-42
• 1.3 本文主要研究思路與內(nèi)容42-45
• 1.3.1 論文研究?jī)?nèi)容42-43
• 1.3.2 研究路線與研究方法43-44
• 1.3.3 論文結(jié)構(gòu)綱要44-45
• 2 管道中導(dǎo)波傳播特性與檢測(cè)參數(shù)選擇45-70
• 2.1 引言45-46
• 2.2 空心圓管中的導(dǎo)波46-57
• 2.2.1 頻散方程46-51
• 2.2.2 導(dǎo)波傳播特性與模態(tài)選擇51-57
• 2.3 導(dǎo)波頻散與頻率選擇57-68
• 2.3.1 導(dǎo)波頻散57-60
• 2.3.2 限制頻率定義60-61
• 2.3.3 頻率選擇61-68
• 2.3.4 討論68
• 2.4 本章小結(jié)68-70
• 3 多元載荷條件下管道中軸對(duì)稱模態(tài)導(dǎo)波激勵(lì)分析70-94
• 3.1 引言70-71
• 3.2 激勵(lì)機(jī)理71-75
• 3.2.1 簡(jiǎn)正模態(tài)展開法71-72
• 3.2.2 縱向模態(tài)導(dǎo)波激勵(lì)72-74
• 3.2.3 扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波激勵(lì)74-75
• 3.3 同向與反向載荷條件下扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波激勵(lì)分析75-82
• 3.3.1 載荷模型75-76
• 3.3.2 同向與反向切變載荷分析76-79
• 3.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析79-82
• 3.3.4 小結(jié)82
• 3.4 非軸對(duì)稱載荷條件下縱向模態(tài)導(dǎo)波激勵(lì)分析82-94
• 3.4.1 問題提出82-83
• 3.4.2 載荷方向不一致影響83-85
• 3.4.3 預(yù)緊力不一致影響85-86
• 3.4.4 數(shù)值分析86-89
• 3.4.5 補(bǔ)償策略89-90
• 3.4.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析90-92
• 3.4.7 小結(jié)92-94
• 4 基于匹配追蹤方法的管道軸向損傷特征識(shí)別94-114
• 4.1 引言94
• 4.2 數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)設(shè)置94-97
• 4.2.1 數(shù)值分析94-95
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置95-97
• 4.3 管道軸向損傷導(dǎo)波反射特征97-102
• 4.3.1 連續(xù)軸向單損傷導(dǎo)波反射97-99
• 4.3.2 非連續(xù)軸向雙損傷導(dǎo)波反射99-102
• 4.4 優(yōu)化波形字典的匹配追蹤方法102-106
• 4.4.1 匹配追蹤方法102-103
• 4.4.2 優(yōu)化波形字典構(gòu)建103-105
• 4.4.3 回波信號(hào)MP分解與重構(gòu)105-106
• 4.5 管道軸向損傷特征識(shí)別106-113
• 4.5.1 基于MP方法的損傷特征識(shí)別方案106-108
• 4.5.2 連續(xù)單損傷與非連續(xù)雙損傷類型識(shí)別108-109
• 4.5.3 雙損傷軸向位置估計(jì)109-111
• 4.5.4 雙損傷大小估計(jì)111-113
• 4.6 本章小結(jié)113-114
• 5 管道局部變形超聲導(dǎo)波檢測(cè)與幾何特征辨識(shí)114-134
• 5.1 引言114-115
• 5.2 管道變形表征115-117
• 5.3 檢測(cè)試驗(yàn)117-121
• 5.3.1 凹陷變形模擬118-120
• 5.3.2 試驗(yàn)裝置120-121
• 5.4 結(jié)果分析121-128
• 5.4.1 回波信號(hào)特征與變形幾何參數(shù)的關(guān)系121-125
• 5.4.2 反射系數(shù)與變形率的關(guān)系125-128
• 5.5 討論128-132
• 5.5.1 變形損傷導(dǎo)波檢測(cè)可行性分析128
• 5.5.2 變形損傷幾何特征對(duì)導(dǎo)波反射的影響128-131
• 5.5.3 變形損傷特征辨識(shí)131-132
• 5.6 本章小結(jié)132-134
• 6 管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)134-153
• 6.1 引言134-135
• 6.2 換能器設(shè)計(jì)135-138
• 6.2.1 敏感元件設(shè)計(jì)135-137
• 6.2.2 換能器封裝設(shè)計(jì)137-138
• 6.3 換能器陣列設(shè)計(jì)138-141
• 6.3.1 設(shè)計(jì)思想138-139
• 6.3.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)139-141
• 6.4 數(shù)據(jù)采集與傳輸處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)141-143
• 6.4.1 硬件子系統(tǒng)設(shè)計(jì)141-142
• 6.4.2 分析軟件設(shè)計(jì)142-143
• 6.5 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析143-147
• 6.6 小口徑管導(dǎo)波在線檢測(cè)147-151
• 6.6.1 傳感器陣列設(shè)計(jì)147-148
• 6.6.2 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析148-151
• 6.7 本章小結(jié)151-153
• 7 結(jié)論與展望153-157
• 7.1 本文結(jié)論153-155
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)摘要155
• 7.3 展望155-157
• 參考文獻(xiàn)157-168
• 攻讀博士學(xué)位期間科研項(xiàng)目及科研成果168-170
• 致謝170-171
• 作者簡(jiǎn)介171-172

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 劉增華;何存富;吳斌;楊士明;王秀彥;;雙層管結(jié)構(gòu)中扭轉(zhuǎn)模態(tài)傳播特性的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究[J];工程力學(xué);2006年11期

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6 劉增華;何存富;楊士明;王秀彥;吳斌;;充水管道中縱向超聲導(dǎo)波傳播特性的理論分析與試驗(yàn)研究[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2006年03期

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本文編號(hào)：567526