电磁超声导波在管道中传播机理的仿真研究

论文摘要

管道作为石油、化工、热电、供水等工业中必不可少的运输工具之一,其安全性关系到国家经济、生态环境等方面,因此,管道的无损检测技术一直是人们研究的热点问题。超声导波检测技术是无损检测技术之一,与传统的技术相比,具有无须耦合介质、无须外包层剥离、传播距离远、速度快等优点,将无损检测应用到了高温、高速的在线检测中。超声导波技术是电磁超声检测在长距离管道缺陷检测中的重要方法之一本文对电磁超声的理论作深入的研究,理论上推导了电磁超声换能器在工作过程中涉及到的三个物理场,电磁场、机械场、超声波场。利用有限元仿真软件ANSYS对EMAT进行了有限元的仿真,根据理论推导的过程将EMAT分成了三个转换过程,即高频线圈在试件表面感应出同频率的涡流,它在永磁体产生的偏执磁场内受到洛仑兹力的作用,在此力的作用下,试件内部产生了机械振动并在介质内部传播,形成了超声波,在波导中传播就形成了导波。为了进一步研究导波在管中的传播特性,以弹性动力学理论为基础,分析得出了导波在传播过程中的存在着多模态和频散特性。介绍了有限元法在研究超声导波传播问题的有效性,并利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对纵向导波L（0,1）模态和L（0,2）模态在管中的传播进行了仿真研究。通过查看导波传播的示意图,直观反映了导波在传播过程中存在着衰减和频散现象,根据回波信号的接收时间计算得到的波速与频散曲线相符；通过查看节点的位移时间历程曲线,以数据和图形的形式再一次说明了导波的频散和衰减特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 国内外对本课题的研究历史和现状
• 1.2.1 国外研究历史和现状
• 1.2.2 国内研究历史和现状
• 1.3 超声导波的激励
• 1.3.1 压电超声和电磁超声的比较
• 1.3.2 电磁超声的激发原理
• 1.4 论文的主要研究内容及章节安排
• 1.4.1 论文的主要研究内容
• 1.4.2 论文的章节安排
• 第二章 超声导波基本原理
• 2.1 超声波的基本理论
• 2.2 超声波的干涉和反射
• 2.2.1 干涉定律
• 2.2.2 超声波倾斜入射到界面时的反射和折射
• 2.3 导波的基本理论
• 2.3.1 导波的概念
• 2.3.2 导波的多模态性和频散特性
• 2.3.3 群速度和相速度
• 2.4 板中的导波
• 2.5 圆管中的导波
• 2.6 本章小结
• 第三章 电磁超声的基本理论
• 3.1 电磁超声的激发原理
• 3.2 EMAT系统中的电磁场
• 3.3 洛仑兹力式EMAT系统中的机械力场
• 3.4 EMAT系统中的超声波场
• 3.5 EMAT系统的完整方程式
• 3.6 EMAT系统的边界条件
• 3.7 常用磁铁的类型
• 3.8 线圈的类型
• 3.9 本章小结
• 第四章 电磁超声换能器的有限元仿真
• 4.1 有限元仿真
• 4.1.1 有限元分析方法
• 4.1.2 有限元分析的步骤
• 4.1.3 有限元分析软件—ANSYS
• 4.2 EMAT的有限元仿真
• 4.2.1 建立有限元模型
• 4.2.2 加载和求解
• 4.2.3 仿真结果分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 纵向导波的有限元仿真
• 5.1 纵向导波
• 5.2 导波传播模态的仿真
• 5.2.1 纵向导波的有限元分析
• 5.2.2 动力分析模块
• 5.3 仿真L（0,2）模态的传播
• 5.3.1 模型的建立
• 5.3.2 加载
• 5.3.3 导波传播的结果分析
• 5.4 仿真L（0,1）模态的传播
• 5.4.1 建模
• 5.4.2 加载和求解
• 5.4.3 导波传播的结果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢