基于压电超声导波的管道缺陷检测数值模拟

发布时间：2019-07-28 15:38

【摘要】：建立了压电材料与管道结构的超声与机械多物理场耦合有限元数值分析模型,采用ANSYS数值分析软件,在认识管道中导波频散特性的基础上,对利用压电陶瓷(PZT)激发的纵向导波进行数值模拟,探究压电超声用于管道损伤识别的机理。在管道模型的自由端周向分布16个PZT激励器激发入射导波,运用与之相距50mm处的PZT接收检测信号,对不同尺寸的单裂纹管道模型进行了数值模拟。结果表明,运用纵向导波检测能准确识别出管道缺陷的存在,且回波的幅值与缺陷尺寸有明显的正相关性,对接收信号时程进行分析可较准确地定位缺陷位置。
【图文】：

基于压电超声导波的管道缺陷检测数值模拟

ｐ为相速度；ｃｇ为群速度；ω为角频率；ｋ为波数。ｆ＝ｋｃｐ２π（３）式中ｆ为频率。由式（１）～（３）可知，ｃｐ和ｃｇ的关系可表示为ｃｇ＝ｄ（ｋｃｐ）ｄｋ＝ｃｐ＋ｋｄｃｐｄｋ＝ｃｐ＋ｆｄｃｐｄｆ（４）由式（４）可知，，当ｃｐ＝ｃｇ时该模态导波没有发生频散变化。１．２．１导波的模态在空心圆柱管中沿轴向传播的超声波存在轴对称的纵向和扭转模态，以及非轴对称弯曲模态。其传播特征如图１所示。图中，Ｕｉ为位移坐标分量，下角ｚ、ｒ、θ分别表示轴向、径向、转角位移分量。图１管道中３种模态导波传播示意图普通的激励信号可能激发多个模态的导波，从而给信号分析带来麻烦，故根据不同模态导波的激励条件不同，激发出单一模态的导波作为检测信号能简化信号分析。本文模拟轴对称分布的ＰＺＴ传感器作为激励传感器，产生轴对称纵向导波，通过传感器阵列数控制来抑制弯曲模态［４］，不产生扭转模态，实现单一纵波模态的激发。本文采用的计算模型在８０ｋＨｚ时，弯曲模态最高阶数为１３，故周向对称分布的ＰＺＴ传感器多于１３个即可抑制弯曲模态。本文实质模拟中采用了１６个ＰＺＴ传感器。１．２检测原理导波在管道中传播时，遇到缺陷会发生反射、透射和模态转换，产生携带结构缺陷信息的反射回波，对接收的信号待定指标（如波形变化、幅值变化、波包增减等）进行分析，即可判断缺陷的存在及位置。图２为缺陷检测原理图。图中，ｔ１为激励信号首次到达接收端的时间点，ｔ２为缺陷回波到达接收端的时间点

基于压电超声导波的管道缺陷检测数值模拟

所示。表２管道材料特性材料名称弹性模量／ＧＰａ泊松比密度／（ｋｇ·ｍ－３）钢材２０６０．２９０７９３０根据管道模型末端的回波时间，传播总时间为０．６２５ｍｓ，时间步长为０．６２５μｍ，在瞬态分析类型中选择完全瞬态分析法（Ｆｕｌｌ方法）。管道模型中，轴向单元宽度为３ｍｍ，并对缺陷附近２０ｍｍ范围的单元加密，裂纹处单元宽度为２ｍｍ，裂纹模型的裂纹位置在距接收信号位置０．４５ｍ处，接收信号位置距管道激励端５０ｍｍ。模型如图４所示。图４管道有限元模型２．３缺陷分析２．３．１波场快照与传播机理管道中的导波，当遇到传播介质界面不连续，即存在缺陷时，发生反射、折射、散射及导波模态的转换。本文采用脉冲回波法，对所接收的回波信号进行处理，以确定所检测管道的缺陷信息。有、无缺陷时，应力波在管道内的传播示意图如图５所示。由图可见，当应力波到达缺陷时，发生了明显的反射。图５应力波传播快照２．３．２缺陷尺寸敏感性分析本文设计的缺陷尺寸为轴向２ｍｍ宽的贯通裂缝，并通过周向裂缝长度来控制缺陷面积的尺寸大校定义缺陷尺寸系数Ａ，Ａ为裂缝长度占管道周长的比例。本文选取Ａ＝０、１／１６、１／８、３／１６、１／４的５种工况进行了计算。为了能清楚地反映出缺陷对接收信号的影响，本文对Ａ＝０，１／１６的接收信号进行对比，如图６所示。当Ａ＝１／１６时，接收信号出现了新的波包，原因是缺陷处的反射回波及缺陷的存在，导波发生了模态的转化。图６回波时程曲线提取缺陷回波的第一个波包信号进行分析，结果如
【作者单位】：湖南大学土木工程学院;华侨大学土木工程学院;华侨大学福建省结构工程与防灾重点实验室;
【基金】：国际科技合作与交流专项基金资助项目(2014DFE70230) 湖南省科技计划重点项目(2014TT1006)
【分类号】：U178

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