当前位置: > 硕士毕业论文 > 39600字硕士毕业论文导波概念在水利工程管道损伤检测中的应用研究

39600字硕士毕业论文导波概念在水利工程管道损伤检测中的应用研究

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:39600字
论点:导波,管道,损伤
论文概述:

分别从无损伤管道和单缺陷损伤管道两种工况对管道进行 Ansys 数值模拟,并与相同尺寸、相同损伤状况的管道在实验室中的试验结果进行了对比分析,结果表明 Ansys 模拟计算得到的波速、波形

论文正文:

介绍

1.1项目研究背景
管道是水工建筑物的重要组成部分。电站压力管道和引水管道在水利工程中都是必不可少的。在水利工程中需要大量的水资源,并且占投资的很大一部分。它们广泛用于农业灌溉、水利和发电、城市供水和排水以及空水库的预防。压力管道根据其布置可分为三种类型:开式水管、埋地水管和回填水管。根据所用材料的类型,压力管分为钢管、木管和钢筋混凝土管。钢管因其强度高、抗渗性能好的优点,主要用于大中型水电站的压力管道,俗称压力钢管。目前,大多数输水管道的工作环境非常恶劣。在长距离运输过程中,由于温度变化、地基不均匀沉降、外部荷载、管道老化、腐蚀等原因造成管道泄漏,造成水资源的严重浪费。中国是一个水资源相对稀缺的国家。东南部、西北部和全国各地水资源不足且分布不均。许多城市缺水,尤其是在一些北方城市。缺水问题更加严重。以北京为例,人均水资源仅占世界平均水平的3.1%。短缺问题严重影响了人们的生活。此外,中国是一个农业大国,总用水量的75%用于农业。因此,发展节水农业是中国的一项重要战略。然而,我国水资源损失相对严重,其中70%是由管道泄漏造成的,浪费了大量的水资源。水资源短缺严重影响了我国经济的发展和人民生活水平的提高。综上所述,管道无损检测的研究具有重要的理论意义和实际应用价值,也具有重大的社会意义和经济效益。管道损伤定位与检测技术是多领域、多学科知识的综合,技术差异很大。传统的管道缺陷损伤定位方法通常依赖于硬件和软件。依靠硬件的方法主要是指通过各种硬件仪器或生物巡逻来检测管道损坏。基于软件的方法(software-based method)是指根据管道壁上或管道内部泄漏流体产生的流量、压力等参数的变化来检测和定位管道损伤的方法。传统无损检测方法具有操作方便等优点,但存在检测速度慢、抗干扰能力和准确度低、效率低、成本高等问题,难以准确检测长输管道的损伤。导波技术正好弥补了传统无损检测方法的不足。导波技术比传统的无损检测方法有许多优点,[1]。首先,导波在传播过程中衰减很小,可以传播很远的距离。信号接收传感器可以接收激励端和信号接收点之间管道损坏的完整信息。此外,导波会引起管道整个壁厚的颗粒振动,因此导波技术可以很好地检测管道的轴向和径向损伤。

1.2国内外研究进展及发展趋势

1.2.1国外研究现状
国外学者于20世纪初开始研究导波理论。最初,他们主要研究弹性波在平板波导中的传播特性。随着研究的进展,他们开始探索导波技术在管道缺陷检测中的应用。目前,研究主要集中在充液管道的损伤检测和“弯曲模态调整技术”在管道弯头部位的应用[2]。[帝国理工大学的学者首次尝试将超声波导波理论应用于工厂管道检测。罗斯·[4]对管道的超声导波检测进行了系统的研究,并提出利用梳状传感器阵列激发平板中特定模式的导波。
2应力波在管道中的传播理论研究了波在空中心圆柱三维方向上的传播规律,推导出纵波和扭转波两种模式。Armenakas等人
2.1导波理论的基本概念
2.1.1导波的定义
导波是在平行于介质边界平面的有限介质中传播的机械波。我们通常把传播导波的介质称为波导。管道是一种常见的圆柱波导。当导波沿介质传播时,其传播状态将受到介质几何边界的约束。当传播介质受力变形时,变形将通过界面之间的相互作用传递到下一个相邻部分,变形部分将返回到先前的未变形状态。变形状态将按照一定的规律向前传播,在传播介质中形成弹性波。导波在传播过程中通常以反射和折射的形式与边界相互作用。根据它们的传播方向是否与介质中振动源的振动方向相同,它们可以分为纵波和横波。导波在传播过程中通常经历纵波和横波之间的模态转换。认为管状结构中的弹性波具有多模态特性,并给出频率色散曲线上可能的导波模式。考利·
2.1.2群速度和相速度概念
色散特性是导波的基本特性之一,是指导波的相速度随频率变化的现象。由于导波的色散,导波包的形状也会随着传播距离的变化而变化。导波的色散通常可分为物理色散和几何色散。物理分散通常很少使用,通常用于一些聚合物非金属材料。几何色散被广泛应用,它是指导波在管道中传播时,由于管道结构几何尺寸的影响而产生的色散现象。导波频散曲线是一条引导波相速度和频率之间关系的曲线。导波的色散特性可以通过绘制导波的色散曲线来获得。测试中激励频率的选择应基于色散曲线。本文使用的空中心管的基本参数为:管外径61.2毫米,内径51.2毫米,管壁厚5毫米,通过求解色散方程得到色散曲线,如图2-2所示。成功地将超声导波检测技术应用于工业管道的损伤检测。
3 Ansys模拟和试验验证.......13
3.1测试分析........14
.2 ANSYS数值模拟.......18
3.3本章摘要.......29
4不同损伤条件下管道损伤检测研究.......30
4.1 /[/k0/心脏管道中导波传播路径分析...33
4.2损坏情况1管道的损坏检测分析...34
4.2.1受损情况1-1的检测和定位...35
4.2.2受损情况的检测和定位1-2...36
4.2.3损坏情况的检测和位置1-3...38
4.3损坏情况2管道的损坏检测和分析...40
4.4损坏情况3管道的损坏检测和分析...46
4.4.1损坏情况3-1损坏检测和位置........46
4.4.2损坏情况3-2损坏检测和位置........48 [/BR/] 4.4.3损坏情况
3.3损坏检测和定位.......50
4.5损坏情况4管道损坏检测分析.......52
4.6损坏情况.......59
4.7本章摘要.......64
5结论和展望.......66
5.1研究结论.......66
5.2前景.......66推导了空中心圆柱壳中波的线性弹性解,得到了纵模波的数值解。迪特里等人
结论认为模式的频率和数量对导波模式的特性有很大影响。Demma
管道是水工建筑物的重要组成部分,广泛应用于农业灌溉和水利工程中。大多数管道的工作环境非常恶劣。在长距离运输过程中,由于外部载荷、管道老化、腐蚀等原因造成管道泄漏,造成资源的严重浪费。传统的检测方法由于自身的局限性,难以广泛应用于长输管道的损伤检测。然而,导波技术因其检测效率高、检测距离长、速度快、整个壁厚声场大等优点,在管道无损检测中得到了广泛应用。本文对Ansys数值模拟和实验室试验进行了对比分析,并应用Ansys软件对不同轴向缺陷位置、不同轴向缺陷宽度、不同径向缺陷深度、不同周向缺陷角度和双重缺陷的管道低频导波损伤检测进行了研究。运用理论分析和数值模拟对研究进行了深化和拓展,具体结论如下:
(1)通过对色散曲线的分析,得出波的模式不同,色散程度也不同的结论。在不同的频率范围内,相同导波模式的色散程度也不同。L (0,1)模式、F (1,1)模式和T (0,1)模式没有截止频率,其他模式都有截止频率。在一定的频率下,将同时产生两个(或更多)模式,但是每个模式的群速度不同,并且模式的数量随着频率的增加而快速增加。在0 ~ 50khz的频率范围内,t (0,1)模的波速保持不变,群速度和相速度不分散。因此,可以考虑将扭转波应用于管道损伤检测。在0 ~ 20khz的低频范围内,l (0,1)模导波的群速度最快。在0 ~ 10khz的频率范围内,l (0,1)模导波的群速度基本不变,其相速度也基本保持不变。在0 ~ 10khz的频率范围内,纵向l (0,1)模式导波、f (1,1)弯曲模式导波和t (0,1)扭转模式导波可能出现在空芯管中。如果管道结构和载荷是对称的,即冲击锤或力锤在管道上的冲击方向与管道的纵轴一致,扭转模式导波和弯曲模式导波不会出现在空芯管中,而只会出现纵向模式导波。
(2)分别对无损伤管道和单缺陷损伤管道两种工况下的管道进行Ansys数值模拟,并与实验室相同尺寸、相同损伤条件下的管道实验结果进行对比分析。结果表明,Ansys模拟计算的波速、波形和缺陷位置判断与实验室实验结果和实际情况相一致,验证了Ansys数值模拟方法的可行性,所得数据准确,结论可靠。
(3)利用Ansys动态模块对不同轴向位置、不同轴向宽度、不同径向深度、不同轴向角度的缺陷以及双缺陷管道受到均匀瞬时冲击力的情况进行数值模拟。初步探讨了该检测方法对管道缺陷的灵敏度和检测效果。结果表明,L (0,1)模态导波对周向和径向缺陷以及双缺陷有很好的识别效果,但对轴向缺陷不敏感。等人通过有限元模拟和实验方法对导波在弯管中的传播特性进行了深入研究。惠誉[用实验方法在空核圆柱壳中激发了四种轴对称和非轴对称导波模式,并获得了群速度色散曲线。赫尔曼和米尔斯基·[12-13]应用三维弹性理论研究了厚壁空中心管,计算了色散方程,得到了低阶轴对称模态导波的相速度解。Qu等人[14]研究了环外脉冲激发后圆周导波的色散方程和传播特性,并通过实验证明了这种检测方法的有效性。阿莱茵等人[15]发现,在70千赫左右的宽频带内,l (0,2)模式的导波具有非色散性。管壁颗粒的振动主要沿着管的纵向方向,并且应变在管壁的厚度方向上没有显著变化。此外,导波模式会在管道的弯管和焊缝处发生变化,从而难以对管道进行损伤分析。布鲁克·[16]研究轴向模态导波在管道损伤检测中的应用,即沿管道法线方向施加轴向载荷。Kwun等人,[17]分析了纵向模式在充水和未充水管道中的传播特性。研究表明,在充水管道中,L (0,2)模会产生模分支现象,波速会降低。

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

参考
[1]杨永波。空核-圆柱和板结构导波检测的理论研究[。武汉:中国科学园研究生院,2009。
[2]董荣威,帅剑。管道超声波导波检测技术[。管道技术和设备。2006 (6): 21-23。[/比尔/] [3]程载斌。超声导波检测管道裂纹的数值模拟和实验研究。太原:太原理工大学,2004。
[4]罗斯·J·L .固体http://sblunwen.com/slgclw/介质中的超声波[·M]。剑桥:剑桥大学出版社,1999。
[5]三维研究波在空心圆柱中的传播。二、数值结果[。美国声学学会杂志,1959,31(5):568-578。
[6]阿·阿梅纳卡斯,加齐斯,赫尔曼。圆柱壳的自由振动[。牛津:佩格蒙出版社,1969年。
[7]考利,阿莱茵。兰姆波在大型结构远程检查中的应用[。超声学,1996(34):287-290。
[8]高斯. J .空心圆柱的纵向振动.[.加尔各答数学学会公报,1923,24(14):31-40。
[9]J.J .迪特里,J.L .罗斯.应用表面牵引激发空心圆柱体中的导波模式[.应用物理学杂志,1992,72(7):2589-2597。[/比尔/][10]德姆马,考利,劳等。弯曲对管道中导沟传播的影响[。压力容器技术杂志,2005,127:328-335。