输电铁塔角钢型材缺陷的超声导波检测方法研究

发布时间：2017-06-16 18:09

  本文关键词：输电铁塔角钢型材缺陷的超声导波检测方法研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：输电铁塔用角钢型材是用于组装构成架空输电线路铁塔的基材,在电力系统内应用广泛。输电铁塔大多架设在野外,受环境影响,铁塔角钢容易产生腐蚀损伤。由于输电铁塔角钢用量大,检测工作量大,采用传统的无损检测方法,检测效率低,难以满足实际工程需要,如何对铁塔角钢进行快速有效的检测,以及如何检测出混凝土塔基中插入混凝土中角钢的腐蚀损伤一直为电力行业所关注。与传统的点对点超声检测方法相比,导波检测方法具有一处激发、长距离传播,检测范围大的突出特点。研究角钢型材中的导波传播特性以及导波在缺陷上的散射特性从而研究对输电铁塔角钢腐蚀缺陷损伤的快速检测方法具有重要的意义。本文在弹性波理论指导下采用有限元数值模拟和实验测试相结合的方法,开展角钢型材及角钢固结在混凝土塔基结构中导波的传播特性及腐蚀缺陷检测研究。首先,应用有限元软件ABAQUS建立了角钢型材的数值模型,由于角钢型材可视为由两块角钢窄钢板按090组成,因此基于钢板兰姆波频散曲线和波结构特点选择激发0A模式兰姆波作为检测模式波。有限元模拟的波场快照和时域响应回波表明,由于本研究角钢式样为截面呈“L”形的固体声波导,在角钢钢板上按0A模式兰姆波激发的导波沿角钢向前传播,声场覆盖角钢钢板和角钢钢板组成的端角区域,导波在角钢中不同部位的缺陷上会形成反射,缺陷反射回波可以被识别出来,但由于角钢不同于平板,按0A兰姆波模式激发的导波在传播一定距离后呈现出特有的传播特性,其频散曲线与兰姆波有所不同,本研究称之为类0A模式导波。本研究重点研究了该导波的群速度频散曲线和衰减特性,为有限元模拟和实验检测提供方法指导。其次,建立自由状态角钢型材三维模型,研究了单探头自发自收模式和双探头一发一收模式检测角钢中不同位置、不同深度的腐蚀缺陷研究。有限元仿真结果表明采用单探头自发自收方式的检测效果优于双探头一发一收检测方式,位于角钢钢板的缺陷比位于角钢端角处的缺陷更容易检出。为进一步检测角钢插入混凝土式塔基中角钢腐蚀缺陷,在自由状态角钢有限元模型的基础上建立了角钢型材与混凝土结构相互接触的模型,研究了不同位置和尺寸大小的凹槽、裂纹和钢板厚度减薄等模拟腐蚀缺陷的类0A模式导波检测的时域回波响应,为检测实验奠定基础。最后,开展了自由状态角钢以及混凝土固结状态角钢的超声导波检测实验研究。设计定制了中心频率为120kHz的角束导波探头,在角钢中激发类0A模式导波进行检测实验研究,实验结果表明,自由状态角钢型材边缘和连接区域的腐蚀缺陷检测结果明显,与数值模拟结果相符。选取凹槽和断裂等腐蚀缺陷角钢通过PVC管道作为模具灌注混凝土制作塔基结构模型,对其中的角钢腐蚀缺陷的检测效果达到预期目标,表明了超声导波对电力铁塔角钢型材快速检测的可行性。本文的研究工作为输电铁塔角钢的超声导波检测技术研究提供了有意的参考和借鉴。
【关键词】：角钢型材 无损检测 超声导波 有限元方法 类0A模态 腐蚀缺陷
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM75;TB559
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-16
• 1.1 选题的依据、目的和意义9-12
• 1.2 国内外研究现状12-14
• 1.2.1 课题相关领域国内外研究现状及发展12-13
• 1.2.2 超声导波检测的数值仿真模拟研究现状13-14
• 1.3 本文研究的主要内容14-16
• 第二章 超声导波理论基础16-25
• 2.1 概述16
• 2.2 弹性波的传播16-18
• 2.3 兰姆波基本理论18-24
• 2.3.1 兰姆波的波动方程19-20
• 2.3.2 相速度和群速度20-21
• 2.3.3 理论频散曲线的绘制及波结构21-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第三章 超声导波有限元模拟方法25-42
• 3.1 引言25-26
• 3.2 动力学中的有限元理论及ABAQUS简介26-29
• 3.2.1 动力学中的有限元理论26-27
• 3.2.2 有限元思想及算法27-28
• 3.2.3 ABAQUS软件简介28-29
• 3.3 角钢型材和插入混凝土式塔基有限元模型的建立29-33
• 3.4 模型的加载方式和边界条件33-34
• 3.5 导波的激励方法及频率选择34-41
• 3.6 本章小结41-42
• 第四章 角钢型材导波检测有限元模拟42-65
• 4.1 角钢型材导波频散曲线绘制42-45
• 4.2 角钢型材衰减特性导波数值模拟45-47
• 4.3 自由状态角钢型材导波检测数值模拟47-55
• 4.3.1 单探头自发自收式腐蚀缺陷的导波检测模拟47-51
• 4.3.2 双探头收发分置式腐蚀缺陷导波检测模拟51-55
• 4.4 混凝土固结状态角钢缺陷的导波检测数值模拟55-64
• 4.4.1 混凝土固结状态角钢深度测量数值模拟55-56
• 4.4.2 混凝土固结状态角钢交接处腐蚀缺陷数值模拟56-61
• 4.4.3 混凝土固结状态角钢内部腐蚀缺陷数值模拟61-64
• 4.5 本章小结64-65
• 第五章 角钢型材缺陷的导波检测实验65-76
• 5.1 概述65
• 5.2 实验系统65-75
• 5.2.1 自由状态角钢导波检测实验67-70
• 5.2.2 混凝土固结状态下角钢缺陷导波检测实验70-75
• 5.3 本章小结75-76
• 第六章 总结和展望76-78
• 6.1 论文总结76-77
• 6.2 研究展望77-78
• 参考文献78-81
• 攻读硕士学位期间发表的论文和参加科研情况81-82
• 致谢82-83

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