利用PZT導(dǎo)波的管道結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究.pdf

1、管道結(jié)構(gòu)在石油，電力，化工行業(yè)以及在城市供水系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。但是由于環(huán)境腐蝕和人為因素的破壞，管道在使用過程中會(huì)產(chǎn)生各種各樣的缺陷。這些缺陷的存在給管道的運(yùn)輸安全帶來了一定的威脅。一旦發(fā)生泄漏，可能發(fā)生事故并在經(jīng)濟(jì)和生命以及周圍環(huán)境和生態(tài)等方面產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，這種損傷是無法估量的。因此對(duì)管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷檢測，在事故發(fā)生之前檢測出管道中所存在的缺陷變的尤為重要。針對(duì)常規(guī)檢測方法無法對(duì)長距離、大范圍的管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面檢測的缺點(diǎn)，一種

2、新的無損檢測方法——利用壓電陶瓷的超聲導(dǎo)波檢測方法被發(fā)展起來，并受到廣泛關(guān)注。
　　壓電陶瓷(PZT)是一種具有傳感和驅(qū)動(dòng)雙重功能的智能材料，在結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別和健康監(jiān)測方面有著廣泛的應(yīng)用。本文在試驗(yàn)研究部分選用壓電陶瓷元件作為管中導(dǎo)波的激發(fā)和接收裝置。
　　本文將利用理論分析、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)以裂紋為缺陷形式的管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷檢測研究，其中裂紋形式包括：周向裂紋、軸向裂紋和四種不同傾角的斜向裂紋。首先借助前人的

3、研究成果對(duì)管中導(dǎo)波的傳播理論進(jìn)行了推導(dǎo)，得到了周向?qū)Рê椭鎸?dǎo)波的頻散方程；之后，利用Matlab軟件對(duì)頻散方程進(jìn)行了數(shù)值求解，繪制出了不同截面尺寸管道的群速度和相速度頻散曲線，并對(duì)管中導(dǎo)波的三種模態(tài)：縱向模態(tài)(L)、扭轉(zhuǎn)模態(tài)(T)和彎曲模態(tài)(F)進(jìn)行了模態(tài)分析，得到了三種模態(tài)在管壁方向上的位移分布，其中L模態(tài)周向位移為零，T模態(tài)徑向位移為零。通過對(duì)頻散曲線的繪制和模態(tài)分析，為以后管道檢測的信號(hào)選取提供了理論依據(jù)；然后，進(jìn)行了利用壓電陶

4、瓷的管道結(jié)構(gòu)損傷的驗(yàn)證性試驗(yàn)。在進(jìn)行試驗(yàn)研究之前，對(duì)激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行了分析，提出了一種激勵(lì)信號(hào)的選取方法。當(dāng)中心頻率不變時(shí)，隨著振蕩周期的增加，信號(hào)的頻域?qū)挾葴p小，有利于控制信號(hào)的頻率，但時(shí)域?qū)挾葧?huì)增加，因此選擇經(jīng)Harming窗調(diào)制的10周期的正弦疊加信號(hào)比較合適。對(duì)無損管道進(jìn)行了檢測，并將試驗(yàn)得到的傳播速度與頻散曲線中的速度進(jìn)行了比較，結(jié)果表明兩者基本吻合。對(duì)含有周向裂紋管道試驗(yàn)結(jié)果表明，脈沖回波法能較為準(zhǔn)確的定位缺陷，隨著裂紋的深度增

5、加其損傷程度也隨之增加；對(duì)軸向裂紋的試驗(yàn)結(jié)果表明，縱向模態(tài)對(duì)此類缺陷不敏感，很難檢測出管道中的缺陷，而扭轉(zhuǎn)模態(tài)卻相反，對(duì)軸向裂紋有較強(qiáng)的敏感度；對(duì)斜裂紋的試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著裂紋與管道母線的夾角增大，缺陷發(fā)射率增大，但是信號(hào)的頻率成分沒有變化，另外當(dāng)夾角增大時(shí)，判定的位置與實(shí)際位置的誤差減??；最后，利用Ansys軟件對(duì)利用壓電陶瓷的管道結(jié)構(gòu)損傷檢測進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了與試驗(yàn)相類似的結(jié)果，并且在對(duì)周向裂紋檢測時(shí)，可以通過疊加信號(hào)來消除缺陷