基于Ansys软件的管道超声导波激励特性研究.docx
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基于Ansys软件的管道超声导波激励特性研究
基于Ansys的管道导波激励特性研究
摘要:
超声导波检测技术是一种新兴的无损检测技术,由于他的穿透能力强、对人体无害其快速准确、检测范围广、实施方便、检测成本低等优点受到越来越广泛的关注[1]。
它不仅改变了传统无损检测方逐点检测的方式,而且解决了有包覆层管道与埋地管道的检测难题[2]。
通过分析超声导波在管道中传播时的频散特性,本文选择了L(O,2)模态并用瞬态分析对管道裂纹进行检测[3]。
本文首先利用ANSYS软件分别对直管道单裂纹裂纹、双裂纹进行了模拟计算。
结果表明,超声导波可以清晰、准确的检测出直管道中的缺陷位置;同时,采用实验设备,结合仿真模拟中的方案对管道中的缺陷进行了检测。
通过实验结果与模拟结果的比对来进一步修正和完善模拟方案,为声导波的实际检测应用奠定基础。
关键词:
超声导波;管道裂纹;ANSYS软件;仿真模拟
Ansyspipelinewaveguide-basedincentiveCharacteristics
Abstraact
GuidedWavetechnologyisanewnon-destructivetestingtechnology,itsfastandaccuratedetectionofawiderangeofeasytoimplement,lowcostbeingdetectedmoreandmoreattention.ItnotonlychangedthetraditionalNDTside-by-pointdetectionmethods,butalsosolveswithacoveringlayerpipeandburiedpipelinestodetectproblems.
Byanalyzingthedispersioncharacteristicsofultrasonicguidedwavepropagationinthepipelinewhenthepaperchoosestransientultrasonicguidedwavemodeasanincentiveforpipelinedefectdetection.Firstly,respectively,usingANSYSsoftwarecracksinstraight-line,single,doublecrackdefectsweresimulated.Theresultsshowedthatultrasonicguidedwavescanbeclearlyandaccuratelydetectthepositionofthestraightpipedefects;thesametime,theuseoflaboratoryequipment,combinedwithsimulationprogramsinthepipelinedefectsweredetected.Theexperimentalresultsarecomparedwiththesimulationresultstofurtherreviseandimprovethesimulationprogramforthepracticalapplicationofacousticwavesdetectedfoundation.
Keywords:
ultrasonicguidedwaves;pipelinedefects;ANSYSsoftware;simulation
目录
1绪论1
1.1课题的目的和意义1
2直管道裂纹检测的数值模拟1
2.1前处理2
2.2建立几何模型2
2.3建立1个裂纹3
2.4模型的网格划分4
2.5加载约束7
2.6求解17
2.7位移幅值分布图18
2.8单裂纹的轴向定位25
3总结28
4展望28
参考文献29
致谢31
1绪论
1.1课题的目的和意义
管道作为五大运输工具之一,在流动介质(如石油、天然气、煤气。
蒸汽、泥浆)的运输方面具有特殊优势,尤其在石油、天然气、核电等产业中发挥着重要作用。
具有连续性、低成本、高运力的优点常常工作在比较特殊或极其恶劣的环境中,经过一定时间的运行后,会出现锈蚀、腐蚀、裂纹等缺陷.并且管道传输介质的温度、压力不断增大的情况下,管内压力的作用很容易使其发生快速扩展,造成管壁开裂,引发恶性事故[4]。
尤其近年来管道事故频频发生,所以管道的安全问题值得人去思考。
随着石油、核电、天然气等产业的发展,压力管道运行总长度的增加,服役时间的延长,压力已接近、甚至超过了其使用寿命,这也就意味着管道事故的发生率在增加。
与此同时,管道的各种缺陷也慢慢的暴露出来了。
其缺陷主要有三大类:
腐蚀缺陷、焊接缺陷和机械破坏。
并且这些问题都会进一步导致管道破裂。
管道的破裂是石油、化工等行业中经常面临的一个重要问题。
综上所述,管道系统的缺陷会导致环境污染和设备损坏,很有必要研究管道缺陷导波检测管路中的传播进行动态分析,以揭示其变化规律,研究其危害的措施,确保系统安全、可靠运行。
2直管道裂纹检测的数值模拟
管道中的裂纹相当于被动超声导波源,当超声导波在管道中传播时遇到裂纹时往往会发生反射、折射及透射等现象。
当管道中存在多个裂纹时,往往会由于各个缺陷的回波之间的相互干扰,对检测结果造成一定的困难。
因此,本章针对管道实际工况中比较常见的裂纹,首先在直管道模型中建立了一个周向裂纹,在能够对其位置进行精准定位的基础上,分析所获得的裂纹回波信号的特征。
在对单裂纹缺陷进行一定研宄的前提下,在管道上的不同位置设置双裂纹,探宄超声导波在管道中传播时遇到双裂纹时的传播特性,进而为双裂纹的检测奠定基础。
借助ANSYS有限元软件进行超声导波检测各种管道里的有问题部分,然后采集并且分析安装在管道端点部位的监测点收到的波的返回信号,着重分析其特殊性。
2.1前处理
管长度1.2m、管外径0.07m、壁厚0.0035m;
材料为钢管,其密度为7.932×103Kg/m3,弹性模量为2.169×1011Pa、泊松比0.286543;
裂纹中心距端面距离为0.6,裂纹宽度为0.002m、裂纹起始角度为
、裂纹终止角度为
;
单元类型为shell63;
网格长度为0.003m;
激励信号为中心频率100000HZ的10周期加汉宁窗调制的正弦波;
波的传输时间为
。
2.2建立几何模型
建立局部坐标1(0,0,0),2(0.03325,0,0),3(0.03325,0,1.2),4(0,0,1.2)。
连接点1,4和点2,3;将线14,23绕其中间的一条线相互旋转一周得到管道的二维模型。
图2.1管道的二维模型
2.3建立1个裂纹
在管道与端面距离为59.9mm,裂纹起始角度为
、裂纹终止角度为
建立的裂纹长度为0.002m
图2.2管道缺陷的建立
2.4模型的网格划分
(1)网格尺寸进行控制(控制网格密度)。
划分前保存几何模型,保存划分后的数据。
(2)单元控制方式:
zSmartSize:
智能网格划分。
zGlobal:
总体单元尺寸控制z对网格进行细化:
在较关键的区域细化,不清除已划好的网格。
选中关键线段,分别用不同颜色线条将其分为三部分,网格长度3mm,则轴向48个点,管道长画400个均匀网格,在均匀划分的基础上在中间位置对其网格进行细画。
图2.3管道线段选取
图2.4管道线段选取的端面图
图2.5管道的网格划分
图2.6网格划分缺陷部位放大图
2.5加载约束
任何实际的结构都会受到一定的约束条件来保持其稳定性。
因此给模型施加合适的约束条件是进行有限元分析的一个重要步骤。
对管道端面施加调试的正弦波。
本次论文的目的是研究不同数量的载荷对管道的超声导波激励特性的影响,所以,我们在一端加载载荷是首先从一个载荷开始。
图2.7单个约束加载位置
激励加载完成后就需要在接收节点处将信号数据提取出来保存,以进一步进行处理。
接收节点位置位于导波激发节点相邻的一圈管道外表面的节点。
对于直管道,本文选择的是自激自收的接收方式并将各节点数据相加取平均后得到的波形数据作为最终的波形信号。
在该信号中,将由于因为缺陷的存在而产生的缺陷回波信号的最值提取出来用作分祈缺陷的轴向定位以及程度识别只用。
然后把提取出的数据进行MATLAB三次插值处理,画出相应的趋势图。
图2.8波形趋势图
由图可以看出,我们选取的两个峰值波是发出的信号与回波信号在管壁中的波形图,但是在两个峰值波之间还存在其他的波段,这是由于加载的正弦波不仅仅是在管壁中轴向传播,它是向着四面八方的,有一部分波会碰到管道内壁,反射后被接收器接收到,并且由超声波在空气中传播的损耗大于在金属中的,所以波形会非常小。
本次论文的目的是研究不同数量的载荷对管道的超声导波激励特性的影响,并且为了消除在管壁之外传播的波的影响,我们采用对称位置加载载荷,为的是可以让正弦波抵消在其它方向的波的影响。
所以,我们在管道一端对称的位置加载4个载荷。
图2.9对称4个载荷位置
图2.10波形趋势图
由我们接收到的波形图可以明显的看出,在两个波峰之间存在的波段较之一个载荷时有明显的减弱趋于平稳的变化。
之后我们还是在管道一端对称的位置加载16个载荷。
图2.11对称16载荷位置
图2.12波形趋势图
对称位置加载24个载荷,如图
图2.13对称24载荷位置
图2.14波形趋势图
对称位置加载48个载荷,如图
图2.15对称48载荷位置
图2.16波形趋势图
2.6求解
任何实际的结构都会受到一定的约束条件来保持其稳定性。
因此给模型施加合适的约束条件是进行有限元分析的一个重要步骤。
当导波检测管道缺陷的模型建立好后,就交由PC机完成计算,完成后就需要在接收节点处将信号数据提取出来保存,以进一步进行处理。
接收节点位置位于导波激发节点相邻的一圈管道外表面的节点。
对于直管道,本文选择的是自激自收的接收方式并将各节点数据相加取平均后得到的波形数据作为最终的波形信号。
在该信号中,将由于因为缺陷的存在而产生的缺陷回波信号的最值提取出来用作分祈缺陷的轴向定位以及程度识别只用。
然后把提取出的数据进行MATLAB三次插值处理,画出相应的趋势图。
2.7位移幅值分布图
图2.17位移幅值分布图
2.7.1激励导波在含裂纹管道中的传播
单裂纹不同时刻位移导波传播示意图:
s
图2.18位移幅值对比图
其中:
(a)当
时管道模型左端激励的位移波群;
(b)当
期间位移波群向右传播;
(c)当
时波群遇到裂纹发生交汇作用,产生反射、透射及模式转换;
(d)当
期间位移波群在裂纹处分解成反射波和透射波,分别向两个方向传播;
(e)当
期间管
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- 基于 Ansys 软件 管道 超声 导波 激励 特性 研究