磁致伸縮扭轉(zhuǎn)波激勵(lì)模型與影響因素研究.pdf

1、管道作為油氣集輸?shù)闹饕\(yùn)輸方式，在生產(chǎn)運(yùn)輸方面占有重要的地位。管道在長(zhǎng)期使用以及特殊環(huán)境下所產(chǎn)生的缺陷成為油、氣和石化產(chǎn)業(yè)的主要問題。隨著國家經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，管道應(yīng)用數(shù)量也隨之增加，相應(yīng)的管道在役安全狀況以及使用壽命預(yù)測(cè)工作也急需加強(qiáng)，以保證正常生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，如何快速、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)對(duì)管道在役狀況的檢測(cè)，成為當(dāng)前無損檢測(cè)的首要任務(wù)。本論文在國家自然科學(xué)基金(51261024,51675258)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFF02030

2、00)、江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(GJJ150699)和廣東省數(shù)字信號(hào)與圖像處理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(2014GDDSIPL-01)共同資助下開展研究的，采用磁致伸縮扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波傳感器對(duì)鐵磁性管道的進(jìn)行非接觸無損檢測(cè)。扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波的傳播特性不受管道中液體的存在的影響，并且T(0,1)模態(tài)在所有頻率下是非頻散的。該類型傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)單點(diǎn)檢測(cè)，且產(chǎn)生的導(dǎo)波傳播距離遠(yuǎn)、速度快。然而檢測(cè)信號(hào)信噪比較低是當(dāng)今磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測(cè)的的主要缺點(diǎn)

3、，因此研究力磁耦合作用下磁致伸縮扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波的激勵(lì)和其影響因素對(duì)于提升導(dǎo)波檢測(cè)效率有重大意義。本文從相關(guān)理論出發(fā)，仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究?jī)煞矫嫦嘟Y(jié)合對(duì)磁致伸縮扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波傳感器展開研究。
　　首先，詳細(xì)闡述磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)的相關(guān)基礎(chǔ)理論。介紹了鐵磁性材料的磁致伸縮效應(yīng)基本特征以及對(duì)導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)的換能機(jī)理做了詳細(xì)描述，然后根據(jù)導(dǎo)波的多模態(tài)性和頻散特性給出了扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波的頻散方程。同時(shí)結(jié)合文獻(xiàn)給出了針對(duì)鐵磁性材料多場(chǎng)耦合的線性模型。
　

4、　其次，介紹了磁致伸縮扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波的檢測(cè)原理和傳感器結(jié)構(gòu)，還包括圓管中扭轉(zhuǎn)波的傳播以及扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波的激勵(lì)過程控制方程。利用有限元軟件COMSOL建立了扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波傳感器激勵(lì)端的三維力磁耦合數(shù)值仿真模型，對(duì)其進(jìn)行加載求解，得到管道內(nèi)部的磁場(chǎng)分布情況。在此基礎(chǔ)上，對(duì)管道內(nèi)部靠近磁場(chǎng)的某一質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行磁致伸縮力的位移分析，通過質(zhì)點(diǎn)在周向和軸向的振動(dòng)規(guī)律分析數(shù)值模型激勵(lì)出的導(dǎo)波特性，并與鐵磁性材料扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波的傳播特性相比較。研究表明，鐵磁性管道在

5、周向偏置磁場(chǎng)作用下，與動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)的合成的方向較為單一，并且磁致伸縮效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位。最后根據(jù)仿真結(jié)果確定該激勵(lì)模型產(chǎn)生的導(dǎo)波符合鐵磁性材料扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波的傳播特性，即以周向振動(dòng)為主，產(chǎn)生的波沿管道軸向傳播，傳播方向與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向相垂直。說明通過該仿真分析能夠得到由力磁聲多場(chǎng)耦合產(chǎn)生的應(yīng)變，能夠真實(shí)反映扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮導(dǎo)波，為后續(xù)研究激勵(lì)導(dǎo)波影響因素以及導(dǎo)波增強(qiáng)研究提供了基礎(chǔ)。
　　再次，對(duì)磁致伸縮扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通

6、過計(jì)算激勵(lì)出的導(dǎo)波的波速并與理論扭轉(zhuǎn)波的波速作對(duì)比，從而確定實(shí)驗(yàn)激勵(lì)出的導(dǎo)波模態(tài)為扭轉(zhuǎn)波。針對(duì)周向偏置磁場(chǎng)作用下建立的鐵磁性管道激勵(lì)扭轉(zhuǎn)波的仿真模型，從激勵(lì)信號(hào)的電流強(qiáng)度、頻率、周期數(shù)三個(gè)方面討論不同影響因素下磁致伸縮激勵(lì)傳感器作用區(qū)域內(nèi)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移的變化情況。為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的有效性，對(duì)鋼管分別進(jìn)行了不同影響因素下的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)采集到的波形進(jìn)行分析。結(jié)果表明，隨著激勵(lì)信號(hào)條件的改變，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)幅值和回波的峰值都產(chǎn)生了一定規(guī)律的變化

7、，可以從中分析選擇最優(yōu)激勵(lì)條件，且仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化規(guī)律相一致，因此該仿真模型可作為磁致伸縮導(dǎo)波激勵(lì)檢測(cè)方面研究的參考。
　　最后，對(duì)磁致伸縮扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波激勵(lì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，采用交叉線圈式磁致伸縮扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波傳感器結(jié)構(gòu)對(duì)管道進(jìn)行超聲檢測(cè)。首先介紹了偏置磁場(chǎng)在磁致伸縮導(dǎo)波傳感器中的影響和作用。其次介紹了交叉線圈式激勵(lì)傳感器的原理以及構(gòu)造，通過數(shù)值仿真驗(yàn)證交叉線圈式的磁致伸縮傳感器能夠有效的激勵(lì)出扭轉(zhuǎn)波并且證明了管道中合成磁

8、場(chǎng)強(qiáng)度矢量方向?qū)τ谫|(zhì)點(diǎn)振動(dòng)幅值是有影響的。結(jié)果表明，在不同材質(zhì)中，總存在一個(gè)最佳的方向使得質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)幅值最好。然后利用交叉線圈式的傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明交叉線圈式傳感器激勵(lì)能量能用于產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波，并對(duì)仿真研究進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，二者具有良好的一致性。因此，交叉線圈技術(shù)的磁致伸縮傳感器是用于管道檢查的有用且有效的工具，在本文實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)強(qiáng)度保持一定時(shí)，與環(huán)形線圈磁化鎳帶得到偏置磁場(chǎng)的合成磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量方向接近某一最佳方向時(shí)，導(dǎo)波幅值