毕业设计报告-管道腐蚀缺陷超声导波检测仿真研究.doc

毕业设计（论文）题 目： 管道腐蚀缺陷超声导波检测仿真研究 学 院： 测试与光电工程学院专业名称： 测控技术与仪器班级学号： 学生姓名： 指导教师： 二O一五 年 六月 毕业设计（论文）任务书I、毕业设计(论文)题目：管道腐蚀缺陷超声导波检测仿真研究II、毕 业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求：1、原始资料：电脑；有限元仿真软件2、毕设要求： (1)了解仿真软件的使用方法； (2)针对管道中腐蚀类缺陷检测设定超声导波检测仿真模型； (3)利用有限元分析方法对超声检测进行仿真研究； (4)数据分析与处理。III、毕 业设计(论文)工作内容及完成时间：1.查阅有限元仿真检测的相关资料并撰写开题报告； 03.0903.202.学习有限元仿真软件的使用方法 ； 03.2104.153.设定超声导波检测仿真模型； 04.1604.304.利用有限元分析方法对超声检测进行仿真研究； 05.0405.155.数据分析及处理； 05.1605.316.总结并撰写论文，答辩。 06.0106.26 、主 要参考资料：1 Rose. J L. 何存富，吴斌，王秀彦译.固体中的超声波M.北京：科学出版社，20042谭建国使用 ANSYS进行有限元分析M北京：北京大学出版社，20023王国强.实用工程数值模拟技术及其在 ANSYS 上的实践M西安：西北工业大学出版社，20004 Kwun H, Holt A E. Feasibility of under-lagging corrosion detection in steel pipe using themagnetostrictive sensor technique J. NDT & E International, 1995, 28(4):211-214. 测试与光电工程 学院 测控技术与仪器 专业类 110813 班学生（签名）： 日期： 自 2015年 3 月 9 日至 2015 年 6 月 26日指导教师（签名）： 助理指导教师(并指出所负责的部分)：测控技术与仪器 系（室）主任（签名）：学士学位论文原创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 日期：导师签名： 日期：管道腐蚀缺陷超声导波检测仿真研究 摘要:超声导波检测主要是导波在工件中的传播特性，导波在工件中传播能量会损失，同时，传播过程遇到两种不同的声阻抗时，导波会发生反射。其工作理论是声源产生超声波投入管子，当在管子中传播并与缺陷发生作用，让其传播方向发生改变，被回收设备所接管，并对它进行管理和分析。超声导波检测技术相对其他检测技术的优势。第一，其传播过程衰减很小，可传播很远的距离；第二，适合长距离管道的大范围检测；第三，对所检测的管道不用做处理，大大降低了检测成本；第四，可同时对管道外观和里面的弊端进行检测。所以，研究超声导波技术在油气管道缺陷检测中的应用具有重要意义和发展前景。通过超声导波理论对工件侵蚀进行理论性剖析，探讨导波对哪种范例的侵蚀性弊端检出灵敏度更高。并通过ANSYS软件对工件侵蚀举行仿真研究，进一步证明所得出的理论结果。同时仿真研究有着实验所没有的优势，它可以在实验条件不足的情况下进行研究。仿真可以在实验条件不足的情况下完成相关的研究，降低各种损耗。所以在实验不太方便进行的情况下，仿真是一种不错的选择。关键词：管道腐蚀；超声导波检测技术；仿真 指导老师签名： Simulation Research of ultrasonic guided wave testing of pipeline corrosion defects Abstract：Ultrasonic testing group if the propagation characteristics of ultrasonic guided waves in the workpiece,the guided wave propagation early artifacts energy is lost, while the propagation of acoustic impedance of two different encounters that occur guided wave will be reflected.Its working theory is that the ultrasonic sound source input pipe, when Guan Zizhong transmission and interact with defects, to change its direction, was taken over by recycling equipment, and management and analysis. Theoretical analysis of pipeline corrosion by guided wave ultrasonic principle, investigate what type of guided wave corrosion defect detection sensitivity higher。First, the propagation attenuation is very small, can travel long distances and； secondly, suitable for a wide range of long distance pipeline detection ；and third, dont have to do for the detection of pipeline processing, greatly reduces the cost ；Finally, you can simultaneously detect the defects in and appearance。Therefore, the study of ultrasonic guided wave technology in pipeline defect detection is of great significance and development prospects By ultrasonic guided wave theory of the workpiece aggressive conduct theoretical analysis, to explore what kind of paradigm guided wave erosion on the Abuse of higher detection sensitivity. By ANSYS software simulation of the workpiece held erosion, further proof of the theoretical results obtained。While not the advantages of simulation with experiment, it can in case of insufficient experimental conditions was studied。The simulation can be done in case of insufficient experimental conditions Related research, and reduce various losses. So in the case of the experimental inconvenient, simulation is a good choice. Key words : Pipeline Corrosion； ultrasonic guided wave detection technology ； simulation Advisor signature : 目 录 1. 引言 1.1 选题的依据及意义11.2 国内外研究现状及趋势21.3 本课题主要研究内容32. 超声导波对不同类型管道腐蚀检测2.1 导波的概念以及传播模式52.2 超声导波检测的传播模式52.3 超声导波腐蚀检测原理62.4 腐蚀类型对检测的影响72.4.1 全面腐蚀72.4.2 局部腐蚀72.4.3 应力腐蚀和疲劳腐蚀82.5 总结83. ANSYSY仿真软件操作流程3.1 Ansys软件的介绍93.2 仿真操作过程103.2.1 定义工作名103.2.2 定义单元类型103.2.3 定义材料属性、建立模型113.2.4 划分网格123.2.5 加载荷、求解和后处理134. 仿真结果处理4.1 扭转模态导波对管道腐蚀缺陷不同类型的检测144.2 T模态和L模态导波对管道腐蚀检测灵敏度164.3 本章总结175. 总结18参考文献19致谢21南昌航空大学2015届学士学位论文管道腐蚀缺陷检测超声导波检测仿真研究1.引言1.1选题的依据及意义管子在使用过程中产生侵蚀、蠕变、疲惫、材料损坏等多种方式，当中弊端缺陷最具严重性。尤其是在炼油、化工等领域内，由于其管道内所加介质腐蚀性强，又因为其经常处在高温、高压力等恶劣的外界环境当中，所以经常会发生管道被腐蚀的事。所以为了能更好的保障连续生产，同时避免危险事故的发生，我们应该加强对管道腐蚀的检测。 此外，随着油气资源的开发，管道运输在全球范围内得到了高速发展，极大的满足了市场的需求，促使管道运输业成为能与铁路、公路、航空、水运齐头并进的五大运输业之一，对经济建设和国防工业发挥着举足轻重的作用。因为随着管道使用时间的增加、管道生成时产生的缺陷、运输介质对其进行的腐蚀危害以及人为对其产生的损害，使管道事故发生的越发频繁，对人们的生命、财产和所生活的生存环境产生巨大的威胁。因此，寻找有用法子对管道举行周期性检测，和对检测出有侵蚀的管道进行修理或替换，能够减少事故的发生。超声导波检测技术因为其独有的优势得到很好的发展，和其他无损检测技术相比，其可以检测工件内很小的缺陷，且检测灵敏度高，尤其对面积类缺陷检出率高。超声导波因为其在固体中传播时沿传播方向上衰减很小，所以其不用使用逐点扫描法；同时导波也能够在充满液体或者有表面保护层的管子中传播，从而大大下降了工业管子检测的用度。ANSYS是一款运用非常广泛的使用软件,它的功效强大，既有前、后办理功能,也有多能力求解器。而且操作简单,在核工业、铁道、石油化工、等大多数一般工业得到广泛地使用。由于其功能强大，操作简单，而且有着实验方法所没有的优势变的越来越流行。然而, ANSYS软件也会存在一些不足，尤其是在某些专业领域,例如ansys软件对某些弯管缺陷不能进行导波检测数值模拟。因为该软件存在上述的问题，是以不妨采纳ANSYS二次开发技巧，该技术可以举行管子弊端导波检测的数值模式,二次开发技术的建设，为ANSYS在弯管导波检测中奠定了基础,也为今后研制和开发新的软件检测技术提供了一条新的途径。相对于导波对管子侵蚀检测的试验，仿真有着试验所没有的优势。超声导波虽然检测费用低，但任然没有用仿真来检测的成本低，而且周期都要比仿真来的长。仿真可以在实验条件不足的情况下完成相关的研究，降低各种损耗。所以在实验不太方便进行的情况下，仿真是一种不错的选择。1.2国内外研究现状及趋势 体波指能够在无穷波导中传输的波，而导波则是指因为波导界限的处在而孕育的波。对质点在介质中的振动方向以及波在介质中的传播方向的不同，我们可以对波进行分类，分成纵波和横波两种波形。但用波的频率对波进行分类，以人可感觉的频率为分界线，可以分为可闻声波、次声波、超声波，其中可闻声波频率在20Hz到20kHz之间，次声波低于20Hz，高于20kHz的超声波。国外研究超声波对固体进行无损检测的始于二十世纪初，他们通过研究波在不同传播介质中的传播特性进行导波研究。起初，研究者对无穷介质中波的传输问题进行研究，进而演变成对板中导波的传输问题的研究，最终演变为柱面上导波问题的研究。起先人们举行的主要是理论探讨，直到60年代人们才陆陆续续入手通过试验对其进行讨论，最近几年，检测领域内导波的使用变的越来越广泛，最突出的是对薄板和管道进行导波检测。因为导波对管道和板材检测的优越性，所以对其进行缺陷检测和性能评估越来越受欢迎。J.Rayleigh1和H.Lamb2考虑了在自然状况下各向同性的板中的弹性波的传输特征。D.C.Gazis首先推导出壁厚和内径比越大，空心圆柱壳的解会越接近Lamb波的解3，之后1959年D.C.Gazis又对空心圆柱体中的波在三维上的传播进行了分析，推导出两种模态(纵向拉伸波和扭转波)的理论模型4,5。接下来他们对数值进行计算，得出许多不同模态的频散曲线图和截止频率。由于先进的管子检测技术在工业生产中需要，所以出现了通过使用导波技术对管道缺陷检测进行研究。Thompson等将EMAT(电磁声传感器)应用于蒸汽发电机管道的裂缝检测6。M. G. Silk和K. F. Bainton利用压电超声探头在蒸汽管道中激励L(0,1)和L(0,2)模态超声导波，并进行了裂纹检测实验，证明了利用超声导波技术对管道检测的可能性7。M. V. Brook等由管道一端施加法向载荷激励轴向导波，对管道进行检测，证明了利用柱状导波对管道进行检测的可行性8。有趣的是M. G. Silk和K. F. Bainton通过使用L(0,1)模式导波对管道缺陷进行检测，而Brook使用的却是L(0,2)模式导波进行检测。这是因为不同的激励方法从而产生出不同的激励模式的结果。M.G. Silk和K. F. Bainton是在管道内部对导波进行激励的，而M. V. Brook确是在管道一端横截面对导波进行激励的。通过这些实验有效的证明了超声导波对管道缺陷的检测。相对国外的研究，国内在该领域起步的比较晚。但在相关各领域也进行了广泛的研究。可查找到多篇报道关于超声导波对管道检测的文章。徐可北分析了反射回波和传播中支点振动方向的关系9。刘振清综述了国内外的超声波技术、声发射技术、新型超声非接触换能方法等无损检测方法10,11。周正干、冯海伟研究了导波在不同介质和结构中的频散特性12。他得安，刘振清等提出如何选取导波的中心频率，指出了导波的模态受到管道的直径和壁厚影响13,14。程载斌，王志华，马宏伟等重点对应力波在管道检测的应用进行了研究，他们通过用有限元软件ANSYS对超声纵向导波对管道裂纹进行检测做了数值模拟，根据缺陷回波信号的到达时间和反射系数的大小判断缺陷的位置和大小程度15,16。刘锋、马宏伟对激励信号的周期、频率进行研究，对双裂纹和单裂纹进行试验，以及能量反射率和能量透射率的研究17。焦敬品等对超声导波在管道中的传播特性，试验检测方法以及数值模拟方面进行了研究18。徐新生、郭杏林等讨论了应力波在检测到缺陷时的反射和透射性质，然后根据反射回波的时间和强度来判断出缺陷所在的位置和大小，并且验证理论模型和方法在检测中是有效的19。齐瑞才、郭杏林试验验证管道的周向缺陷、轴向缺陷以及点蚀缺陷对回波信号产生的影响20。姜秀娟、张文雍、徐鸿利用ANSYS软件对管道的裂缝和焊缝进行建模并仿真，对各种不同腐蚀程度的缺陷进行回波研究分析得出波形和局部损失的关系，对所给出的所研究的材料物性泊松比、密度、弹性模量不同变化条件下21,22。1.3本课题主要研究内容本课题主要采用ANSYS软件有限元数值分析模拟软件对不同类型的管道腐蚀性缺陷进行模拟，探究其结果进行对比。以及对于同一种腐蚀缺陷用不同的波形模态对其进行检测的灵敏度问题。论文主要包括以下几个部分：第一章：为前言，最初概括了该学位论文课题的来历和意义。综合讲述了国内外关于超声导波检测方法的钻研情况，并对本文作者所做的工作进行了简述。 第二章：介绍超声导波的检测原理以及管道腐蚀缺陷的类型。比较出超声导波对哪种腐蚀检测灵敏度更高。第三章：介绍导波检测技术仿真的原理以及仿真的操作流程。通过ANSYS软件建立管道模型，并对管道进行网格划分，施加边界条件及载荷，最后进行求解。第四章：对所求出的仿真结果进行分析，得出结论。第五章：对全文进行总结。2.超声导波对不同类型管道腐蚀检测2.1导波的概念以及传播模式导波就是指在有限介质内传播的波，且其传播是与边界平面平行的弹性波。因为介质的几何边界对波具有导向，所以几何体形状对波的传播有影响。介质的几何体和导波频率也会影响导波的速率。导波能以三种不同波模式在压力管道中传播纵波（L）、弯曲(F)和扭力波(T)23。纵波指的就是质点在管道轴向或径向上的振动且沿着管道轴向传播的波，弯曲波质点在管道轴向、周向和径向都有振动，扭转波是质点沿管道周向振动的波。2.2超声导波检测的传播模式 导波检测技术就是声源产生超声波进入工件，当其在其他条件都相同的情况下，波工件中传播并与缺陷发生相遇，因其两种介质的声阻抗的不同，使其传播方向发生改变，被接收设备所接收。如图2.1所示 图 2.1 检测模式当你决定了一种导波模式，它会有一个波群速度，其在脉冲频谱范围内会发生改变的，这种导波模式的波在传播时，其脉冲波包（也有遇到缺陷反射回来的波）会因为波的传播越远而变的越来越宽，这种变化会减弱了信号的瞬时分辨率以及信号的信噪比(SNR)。选择最恰当的导波模式和操作频率，可以有效的避免这个问题，使导波传播过程不分散或波包上的分散最小。图2.2所示为各种不同的模态导波在固定材质和壁厚管道内的散射情况，从中我们可以得到扭转波模式T ( 0， 1）在一定频率范围内传播基本无散射，管道的材质和壁厚因素对其性能无影响。所以扭力波T ( 0， 1）是首选在超声导波管道检测过程当中导波传播形式。图2.2 不同传播模式散射图 同样，当要使用L模态的波对管子进行检测时，我们可以发现L（0,2）模态的波在频率超过20KHZ时，其传播是几乎无散射的，而且其传播速度快，有利于与其他波形区分，所以，检测时也可以使用L模态导波。2.3超声导波腐蚀检测原理在超声导波检出技术过程中有多钟因素对检测有较大的影响，其一是导波衰减系数，另外就是缺陷尺寸（管子横截面积金属损失百分比)。导波衰减系数与检测范围有紧密联系。缺陷尺寸与检测信号的幅度密切相关。检测范围(R)、导波衰减系数(）和缺陷尺寸(A)之间存在以下近似数学关系24： R=50-6+20log（0.01）/2 （2-1）式中 导波在管道中的衰减系数，dB /m R一可达到的检测范围，m 一缺陷尺寸(相对于管道总壁厚横截面 积的百分比%）,见图2.3 从上述式(2-1)中通过分析可得到图2.4所示的关系特性曲线:其中横坐标缺陷尺寸,纵坐标R是检测范围和导波衰减系数的乘积。按照上述检测技巧的剖析，我们能够得出导波对腐蚀性缺陷的检测是指检测缺陷占管子横截面积的百分比，却不是检测侵蚀深度，也就是说该技术不是对管道的真实厚度进行测量。 图2.3 缺陷尺寸示意图 图 2.4 特性曲线图 2.4腐蚀类型对检测的影响目前工业管道腐蚀形态多种多样，就当前的研究而言，我们可以把服饰类型分为全面腐蚀、局部腐蚀、腐蚀疲劳以及应力腐蚀等。我们可以通过对不同腐蚀类型的研究，探讨不同不同腐蚀类型对检测的影响。2.4.1全面腐蚀因为管子较大面积上产生侵蚀，形成全面侵蚀，我们可以看作均匀的壁厚变薄，在管道的每一个截面上，其横截面积管道金属损失量并不大，且近是看作均匀。当导波传感器发出一个短脉冲时，沿着管道传播，近是相当于无腐蚀或腐蚀很小，很难产生很强的反射信号，而且由于表面的腐蚀对导波的衰减有促进作用，缩短检测范围。2.4.2局部腐蚀就局部腐蚀而言，超声导波检测技术对其具有很高的检测灵敏度，关于腐蚀缺陷的检出率，主要依据的就是两个方面:（1）管道横截面积上所有腐蚀面积的总和占整个管道横截面积的百分数，即参数A；（2）目前超声导波检测仪器的检测灵敏度水平。市场上一般的仪器灵敏度在2%一5%范围内，即当管道腐蚀在管道横截面上的面积占其横截面积的比超过2%时才有可能被检测到。局部腐蚀按情况的不同，也存在着差异。对工业管道经常出现的点蚀（孔蚀)腐蚀缺陷而言，国外以超声导波检测技术为基础，通过实验对窄深型缺陷与宽浅型缺陷进行研究，当金属横截面积腐蚀缺陷的面积相同时，检测出前者的信号幅值比后者幅值要高，更有利于检测。在图2.5中，(a)楔形和(b)垂直形的腐蚀产生的信号比(c)水平形和(d)盘碟形产生的信号幅值要高25,26。通常工业管道腐蚀以窄深形腐蚀性缺陷为主，其危害相当严重，而超声导波技术对该缺陷检测灵敏度高，所以导波检测技术可用在对工业腐蚀检测上。 图a 楔形腐蚀 图b垂直形腐蚀 图c 水平形腐蚀 图d 盘碟形腐蚀 图2.5 不同腐蚀类型缺陷2.4.3应力腐蚀和疲劳腐蚀这类腐蚀性缺陷的形式主要是以裂纹为主，基本不会造成横截面积的减小，所以长距离的导波检测技术对应力腐蚀和疲劳腐蚀检测效果不是很明显。2.5总结经过上面一系列的分析研究，当管道横截面积金属损失超过超声导波检测仪的最低范围2%时有较好的检测效果。对应力腐蚀和疲劳腐蚀检测效果不强，不太适应，对局部腐蚀检测出来的效果确很明显，尤其是对窄深型缺陷或腐蚀孔。3.ANSYSY仿真软件操作流程3.1 Ansys软件的介绍Ansys软件是一种操作十分广泛的通用有限元分析软件，是融结构、流体、热学、电磁学、声学于一体的大型软件，功能十分强大完备，能够进行简单线性静态分析和复杂非线性动态分析，可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答，其先进的多物理场耦合技术在现今世界上首屈一指。ANSYS 主要包括三大模块：（1）前处理模块 前处理模块的实质是为相关方程组设置参数和初始条件。模块的主要功能集中在建立几何模型、定义及配置材料的属性、划分单元网格、设定边界条件，为导波有限元计算做准备。模型包含有点、线、面、体等元素，这些元素称为边界条件的施加参照。经过剖分成单元后，用以存储结果的，同时剖分的详细程度决定着同一次计算结果数据的丰富程度。ANSYS 提供了丰富的模型剖分方式，如自由化分、映射划分等，这些保证了计算的可靠性和操作的便捷性，使得各种形状的几何模型都能得到有效剖分。（2）分析计算模块 分析计算模块包括结构分析（包括线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析及多物理场的耦合分析，可对多种物理介质进行模拟分析，具有优化能力以及分析灵敏度。（3）后处理模块 通用后处理器和时间历程后处理器是ANSYS的两个后处理器，它可将计算结果以多种形式显示，如：以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（能够看到物体内部），同样也可以以图表、曲线形式表示，后处理用于处理瞬态和动力分析。不管分析的问题多复杂，其求解的基本步骤是：（1）建模及网格划分；（2）施加边界条件及载荷；（3）进行求解。但在不同的工程应用中，由于涉及的问题大多数很复杂，具体步骤就会相差很大。3.2仿真操作过程3.2.1定义工作名实行菜单栏中的Utility Menu File Change Jobname语令，跳出一个框图，在“Enter new Name”后面输入“BS_3D”,单击“OK”按钮。如图3.1所示图 3.1 定义工作名3.2.2定义单元类型从菜单栏中选择Main Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete命令，跳出“Element Type”单元类型框图，点击“Add”，跳出“Library of Element Type”单元类型框图，选择“SOLID45”单元。实体单元SOLID45是一种六面体三维单元，图3.2是ANASYS中典型的八节点实体单元SOLID45的几何示意图。它可以承受拉压载荷、剪切力载荷，它是最接近真实结构中的受力单元。相对于其它单元形式，实体单元可以获得非常精准的数值模拟结果。图 3.2 SOLID45的几何示意图3.2.3定义材料属性、建立模型从主菜单中选择Main Menu Preprocessor Material Props Material Models命令，弹出“Define Material Model Behavior”定义材料属性对话框。在右边对话框中对所要求的管道材料进行定义，定义管道弹性模量为2.1e11，泊松比为0.28，密度为7800。ANSYS有限元模型如下所述：管子长1000mm，内径为47mm，外径为51mm。管子壁厚为4mm，由于前面我们已经讨论出超声导波对窄深形腐蚀性缺陷检测效果更好。所以我们设定一个深度为2.8mm的腐蚀性缺陷，其轴向长度为50mm，起始于450mm处，周向横跨30度的规则长方体缺陷。如图3.3所示 图 3.3 管道缺陷模型示意图 对于在管道模型上腐蚀缺陷的生成有三中方法：一是采用单元生死法，即首先建立无缺陷管道，对管道划分网格，然后将缺陷处的单元“杀死”，对于“死”单元，程序通过一个很小的系数即缩减因子乘以它们的刚度，在载荷矢量中，和这些“死”单元相联系的单元载荷也被设置为零，并约束所有不活动节点的自由度，从而使单元从模型上“脱离”，这种方法的优点是简单易用、容易操作，但是也有一定的缺点，由于在ANSYS中，涉及到单元生死问题都要启动非线性计算、牛顿拉夫森选项，从而导致无法控制计算时间，甚至会发生计算不收敛，故一般不采用此种方法。另一个建立缺陷的方法是通过ANSYSY直接建立一个有缺陷的模型，然后再对该模型进行网格划分。第三种方法是先建立管道得一部分，将缺陷的模型部分先预留，通过对称将其余部分建立，然后再在预留部分添加单元，余下缺陷，再对其进行网格划分。3.2.4划分网格 从主菜单中选择Main Menu Preprocessor Meshing MeshTool命令，弹出MeshTool对话框，在该对话框中选择合适的网格单元长度，并选择扫略SWEEP命令来划分网格，可以得到质量较高的有限元网格，因为网格密度的不同，象征着材料的密度等弹性常数的不同，会引起回波信号，这与材质均匀的管道是不符的，更会造成缺陷的误判。如图3.4所示图 3.4 管道网格划分示意图3.2.5加载荷、求解和后处理 前面已经讲述，T（0,1）模态的波质点是沿着周向位移的，也就是其在径向和轴向的位移为零，且其周向位移分布均匀，易于用来检测。所以我们在对管道模型进行加载荷时，先将其转为柱面坐标，约束一端的自由度，对另一端内圈外圈每一个节点上都加上沿周向振动的质点载荷，如图3.5示意图所示。在实际过程中，我们通常会忽略管道表面的包覆层，即可以减少导波回波信号受其他因素的干扰。加载荷除了上述操作方式，还可以命令流的形式对其加载。命令流也分为两种，一种是宏命令加载，还有一种是表参数加载，通过使用DO循环、IF/ELSE命令控制载荷加载。后处理有两种后处理器，通用后处理和时间历程后处理。通用后处理可以查看模型在某一时刻下的结果，将结果以图形、文本或动画的形式展现。时间历程后处理可以查看模型某一点特征随时间变化的曲线，也可以以列表的形式输出，后处理用于处理瞬态和动力分析。本次研究选择了时间历程后处理，便于查看检测节点位移时间变化的信息。图3.5 T（0,1）模态导波激励与接收示意图4.仿真结果处理4.1扭转模态导波对管道腐蚀缺陷不同类型的检测具前文介绍，我们可以发现在管道壁厚和材质相同的情况下，扭转波模式T（0,1）在传播过程中基本无散射，所以我们用T（0,1）模态对管道腐蚀缺陷进行仿真研究,且频率为32.38KHZ。在管道横截面积金属腐蚀面积相同时，通过对不同的腐蚀缺陷深度的仿真研究其结果，我们可以得出扭转波对不同类型缺陷的灵敏度情况。本文仿真研究了三组数据进行探讨研究，在管子长度为1m一定，腐蚀缺陷轴向长度为50mm一定，腐蚀起始位置为450mm处，分别改变管子的径向和周向大小，使其管子横截面积上缺陷面积相同。分别设为（1）深度4mm，周向横跨30o，如图4.3所示；（2）深度3mm，周向横跨39.6o，如图4.2所示；（3）深度2mm，周向横跨58.8o，如图4.1所示。图4.1 管道腐蚀深度2mm波形图图4.2 管道腐蚀深度3mm的波形图图4.3 管道腐蚀为深度4mm的波形图 从上述波形图我们可以得出两个波峰之间的时间差与波速的乘积和缺陷尺寸相吻合，当管道腐蚀越深时，在其管道横截面上腐蚀面积相同的情况下，其周向角度小，所得出腐蚀类型为窄深型的缺陷比宽浅型缺陷的波形幅值要大，即超声导波检测技术对窄深型腐蚀缺陷检测敏感度更高。4.2 T模态和L模态导波对管道腐蚀检测灵敏度 T模态的扭转波通常一般用来检测管道轴向裂纹缺陷，L模态的纵波通常是检测管道周向裂纹缺陷的。但是对于腐蚀性缺陷和裂纹缺陷有所不同，腐蚀通常都是大范围或局部一块面积，所以不能用裂纹的方式来判断用哪一种模态的波对腐蚀检测灵敏度高。上述我们已经对不同模态的波进行了选择，选择了T（0,1）和L（0,2）两种波,且两种波形都选用125KHZ，下面我们用两种模态的波分别对同一个腐蚀性缺陷进行检测，且所选择的缺陷轴向和周向长度接近于相等，如：管道长1m，缺陷轴向长度25mm，管道内劲47mm，外径51mm，周向横跨角度30o，且在管道所处的位置一至。用仿真得出如下结果图，如图4.4和4.5所示。 图4.4 T模态扭转波检测波形图 图4.5 L模态纵波检测波形图 从上述结果明显可以看出，T模态的扭转波检测出的波形图幅值比L模态检测出的波形图幅值要高，即在本模型中，T模态导波对管道腐蚀检测相比较于L模态导波检测灵敏度更高。4.3 本章总结 由上述几组仿真操作，我们分别对管子横截面积上不同的腐蚀类型以及使用不同的模态的波形进行检测。我们可以得出腐蚀缺陷越窄深度越深，腐蚀检测灵敏度更好，同时对比得出T模态的波比L模态的波检测灵敏度更高。该结果非常适用于工业管道腐蚀的检测，对其进行推广，可大大降低工业管道腐蚀的危害。 5.总结本文主要介绍了管道腐蚀类型的不同，超声导波对其检测的灵敏度问题。首先，本文先讲述了一些关于超声导波技术的国内外研究现状及技术水准，然后讲述了超声导波技术的原理，并在该基础上剖析其导波技术对不同侵蚀进行检测的成效。得出当管道横截面积腐蚀面积相同时，窄深型的腐蚀比宽广型的腐蚀检测灵敏度更高。并经过仿真学习，通过ANSYS仿真的方法对该结果进行研究，得出一系列不同腐蚀缺陷的波形图，通过对这些波形图进行对比，从而进一步得出超声导波技术对窄深型的腐蚀坑检测更灵敏，同时经过仿真研究，探讨出不同模态波形对同一种腐蚀缺陷的检测灵敏度，并得出结论。通过本次研究可以发现仿真研究想比较于实验更加的方便、清晰。参考文献1 H.Lamb. On Waves in an elastic plateJ. Proe. Royal soc.London. 1917.2 J. Rayleigh. The theory of Sound. VoI. and.Dover Publications, New York,19453 D. C. Gazis. Exact analysis of the plane-strain vibrations of thick-walled hollow cylindersJ. Journal of theAcoustical Society ofAmerica, 1958, 30:786-794.4 Denos C. Gazis. Three-Dimensional investigation of the propagation of waves in hollow circular cylinders I. Analytical foundationJ. The Journal of the Acoustical Society of America 1959, 31(5):568-573.5 Denos C. Gazis. Three-Dimensional investigation of the propagation of waves in hollow circular cylinders II. Numerical resultsJ. The Journal of the Acoustical Society of America, 1959, 31(5):573-578.6 Thompon R B. Elsley R K et al. An EEMAT system for detecting flaws in steam generator tubes. Ultrasonic Symposium, 1979: 246-249.7 M. G. Silk, K. F. Bainton. The propagation in metal tubing of ultrasonic wave modes equivalent to waves. Ultra