管道纵向超声导波的对称模态转换特性分析
发布时间：2020-12-28 04:51
管道超声导波检测应用中,为建立有效的缺陷识别技术,需要通过分析回波信号深入理解导波与管道缺陷相互作用过程中缺陷对导波信号的影响,进而形成可表征缺陷不同特征的方法。超声导波的模态转换过程及转换模态提供了大量缺陷信息,而合理使用多个超声导波模态进行管道缺陷分析可改善检测和评估的效果。轴对称纵向L(0,2)模态超声导波被大量应用于管道缺陷的检测与评估,L(0,2)模态导波系统中往往同时激发出低阶纵向L(0,1)模态。针对以上情况,本文研究了这两种纵向模态与缺陷交互过程中对称模态的转换过程,并提取各模态成分,进一步分析了转换模态随缺陷参数变化的规律。研究结果可为利用模态转换信息实现缺陷的检测评估建立理论基础。
【文章来源】：仪器仪表学报. 2020年09期 北大核心
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
超声导波与管道缺陷的交互过程
以径向深度3 mm,轴向长度10 mm,周向宽度120°的槽形管道缺陷为例,缺陷位于管道中部(管道各项参数如前所述)。施加纵向导波激励后的并联接收典型信号如图8所示,缺陷回波由3组波包组成,根据管道的频散曲线取得的L(0,1)和L(0,2)模态的理论波速,结合2.1节的模态时序分析结果可确定3组波包分别对应L(0,2)模态,纵向转换模态和L(0,1)模态。3组波包均是由导波在缺陷前后边界交互形成的回波分量叠加而成,波包的时域特性也符合对应模态的频散特征及波结构特征。由于L(0,2)模态波速快,L(0,1)模态波速慢,两者相差较大,故在时域L(0,2)模态和L(0,1)模态完全分离。纵向转换模态的形成涉及到L(0,1)和L(0,2)模态,其总时程(t′L(0,2)+t′L(0,1))介于L(0,2)模态和L(0,1)模态分别传播相同距离所需时间(tL(0,2)和tL(0,1))之间(即tL(0,2)<t′L(0,2)+t′L(0,1)<tL(0,1)),故3组波包在时域可直接被分离。为了进一步研究激励L(0,1)和L(0,2)模态分别形成的转换模态,采用基于波结构的理论分析方法对这两个转换模态分量进行提取,此方法的基本思想如下。图9给出了所研究管道在工作频率为175 kHz时L(0,1)模态和L(0,2)模态的轴向位移分布曲线。其中L(0,1)模态的轴向位移存在零位移点,即管道径向位置(沿管壁厚度方向距离管道截面中心点的距离)约15 mm处的轴向位移量为0。根据图9所示L(0,1)模态零位移点的特点,则径向位置15 mm左右处的转换模态回波仅包含L(0,2)模态分量。进一步利用L(0,2)模态沿壁厚方向的轴向波结构曲线可得到管道外表面,即径向位置17 mm处的L(0,2)模态分量,以此为参考信号,最后可从叠加形成的总纵向转换模态信号中提取出L(0,1)模态分量。采用数值计算的方式可获得导波在接收端处管道径向各个位置的回波信息,图10(a)给出了径向位置为17 mm,16 mm,15 mm,14 mm,13 mm的5个回波实例,图10(b)为各个回波信号中纵向转换模态的部分。根据上述方法得到的各转换模态如图11所示。在本文讨论的情况中,两种转换模态信号实际传播距离为1 m,从图11也可看出主模态L(0,2)模态转换形成的转换模态分量L(0,1)的能量大于L(0,1)模态转换形成的转换模态分量L(0,2)的能量。
本文研究的钢管对象及缺陷形式如图1所示,其中管道长度为2 m,内外直径分别为26 mm和34 mm,槽型缺陷位于距离管道端部1 m位置处。缺陷轴向长度为10 mm,周向宽度和径向深度变化。钢管的基本材料特性参数见表1,该材料也是常见钢材的一种类型。表1 钢管的材料特性参数Table 1 Parameters of material property for steel pipe model 密度/(kg/m3) 弹性模量/GPa 泊松比 7 850 200 0.3
【参考文献】：
期刊论文
[1]管道点蚀检测的导波仿真优化研究[J]. 王晓娟,秦晨,刘君. 仪器仪表学报. 2019(01)
[2]管道弯头对低频纵向导波传播特性影响分析[J]. 伍文君,王悦民,陈乐,耿海泉. 声学学报. 2017(01)
[3]超声导波检测技术的发展、应用与挑战[J]. 何存富,郑明方,吕炎,邓鹏,赵华民,刘秀成,宋国荣,刘增华,焦敬品,吴斌. 仪器仪表学报. 2016(08)
[4]管道损伤处纵向导波模态转换对损伤识别的影响[J]. 陈颖璞,赵明,马书义,武湛君,吴会强,马云龙. 工程力学. 2016(06)
[5]基于导波的弯管裂纹缺陷的检测[J]. 周邵萍,张蒲根,吕文超,郝占峰. 机械工程学报. 2015(06)
[6]兰姆波在裂纹处的模态转换及散射特性研究[J]. 郑阳,周进节. 工程力学. 2014(06)
[7]图解法求解Lamb波频散方程[J]. 许西宁,余祖俊,朱力强. 电子测量与仪器学报. 2012(11)
本文编号：2943155
【文章来源】：仪器仪表学报. 2020年09期 北大核心
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
超声导波与管道缺陷的交互过程
以径向深度3 mm,轴向长度10 mm,周向宽度120°的槽形管道缺陷为例,缺陷位于管道中部(管道各项参数如前所述)。施加纵向导波激励后的并联接收典型信号如图8所示,缺陷回波由3组波包组成,根据管道的频散曲线取得的L(0,1)和L(0,2)模态的理论波速,结合2.1节的模态时序分析结果可确定3组波包分别对应L(0,2)模态,纵向转换模态和L(0,1)模态。3组波包均是由导波在缺陷前后边界交互形成的回波分量叠加而成,波包的时域特性也符合对应模态的频散特征及波结构特征。由于L(0,2)模态波速快,L(0,1)模态波速慢,两者相差较大,故在时域L(0,2)模态和L(0,1)模态完全分离。纵向转换模态的形成涉及到L(0,1)和L(0,2)模态,其总时程(t′L(0,2)+t′L(0,1))介于L(0,2)模态和L(0,1)模态分别传播相同距离所需时间(tL(0,2)和tL(0,1))之间(即tL(0,2)<t′L(0,2)+t′L(0,1)<tL(0,1)),故3组波包在时域可直接被分离。为了进一步研究激励L(0,1)和L(0,2)模态分别形成的转换模态,采用基于波结构的理论分析方法对这两个转换模态分量进行提取,此方法的基本思想如下。图9给出了所研究管道在工作频率为175 kHz时L(0,1)模态和L(0,2)模态的轴向位移分布曲线。其中L(0,1)模态的轴向位移存在零位移点,即管道径向位置(沿管壁厚度方向距离管道截面中心点的距离)约15 mm处的轴向位移量为0。根据图9所示L(0,1)模态零位移点的特点,则径向位置15 mm左右处的转换模态回波仅包含L(0,2)模态分量。进一步利用L(0,2)模态沿壁厚方向的轴向波结构曲线可得到管道外表面,即径向位置17 mm处的L(0,2)模态分量,以此为参考信号,最后可从叠加形成的总纵向转换模态信号中提取出L(0,1)模态分量。采用数值计算的方式可获得导波在接收端处管道径向各个位置的回波信息,图10(a)给出了径向位置为17 mm,16 mm,15 mm,14 mm,13 mm的5个回波实例,图10(b)为各个回波信号中纵向转换模态的部分。根据上述方法得到的各转换模态如图11所示。在本文讨论的情况中,两种转换模态信号实际传播距离为1 m,从图11也可看出主模态L(0,2)模态转换形成的转换模态分量L(0,1)的能量大于L(0,1)模态转换形成的转换模态分量L(0,2)的能量。
本文研究的钢管对象及缺陷形式如图1所示,其中管道长度为2 m,内外直径分别为26 mm和34 mm,槽型缺陷位于距离管道端部1 m位置处。缺陷轴向长度为10 mm,周向宽度和径向深度变化。钢管的基本材料特性参数见表1,该材料也是常见钢材的一种类型。表1 钢管的材料特性参数Table 1 Parameters of material property for steel pipe model 密度/(kg/m3) 弹性模量/GPa 泊松比 7 850 200 0.3
【参考文献】：
期刊论文
[1]管道点蚀检测的导波仿真优化研究[J]. 王晓娟,秦晨,刘君. 仪器仪表学报. 2019(01)
[2]管道弯头对低频纵向导波传播特性影响分析[J]. 伍文君,王悦民,陈乐,耿海泉. 声学学报. 2017(01)
[3]超声导波检测技术的发展、应用与挑战[J]. 何存富,郑明方,吕炎,邓鹏,赵华民,刘秀成,宋国荣,刘增华,焦敬品,吴斌. 仪器仪表学报. 2016(08)
[4]管道损伤处纵向导波模态转换对损伤识别的影响[J]. 陈颖璞,赵明,马书义,武湛君,吴会强,马云龙. 工程力学. 2016(06)
[5]基于导波的弯管裂纹缺陷的检测[J]. 周邵萍,张蒲根,吕文超,郝占峰. 机械工程学报. 2015(06)
[6]兰姆波在裂纹处的模态转换及散射特性研究[J]. 郑阳,周进节. 工程力学. 2014(06)
[7]图解法求解Lamb波频散方程[J]. 许西宁,余祖俊,朱力强. 电子测量与仪器学报. 2012(11)
本文编号：2943155
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jinshugongy/2943155.html
教材专著
