磁致伸縮扭轉(zhuǎn)波激勵模型與影響因素研究.pdf

1、管道作為油氣集輸?shù)闹饕\輸方式，在生產(chǎn)運輸方面占有重要的地位。管道在長期使用以及特殊環(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)測工作也急需加強，以保證正常生產(chǎn)運轉(zhuǎn)。因此，如何快速、準(zhǔn)確的實現(xiàn)對管道在役狀況的檢測，成為當(dāng)前無損檢測的首要任務(wù)。本論文在國家自然科學(xué)基金(51261024,51675258)、國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFF02030

2、00)、江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(GJJ150699)和廣東省數(shù)字信號與圖像處理技術(shù)重點實驗室開放課題(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)波傳感器對鐵磁性管道的進(jìn)行非接觸無損檢測。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)單點檢測，且產(chǎn)生的導(dǎo)波傳播距離遠(yuǎn)、速度快。然而檢測信號信噪比較低是當(dāng)今磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測的的主要缺點

3、，因此研究力磁耦合作用下磁致伸縮扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波的激勵和其影響因素對于提升導(dǎo)波檢測效率有重大意義。本文從相關(guān)理論出發(fā)，仿真計算和實驗研究兩方面相結(jié)合對磁致伸縮扭轉(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)基本特征以及對導(dǎo)波檢測系統(tǒng)的換能機理做了詳細(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。同時結(jié)合文獻(xiàn)給出了針對鐵磁性材料多場耦合的線性模型。
　

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)波傳感器激勵端的三維力磁耦合數(shù)值仿真模型，對其進(jìn)行加載求解，得到管道內(nèi)部的磁場分布情況。在此基礎(chǔ)上，對管道內(nèi)部靠近磁場的某一質(zhì)點進(jìn)行磁致伸縮力的位移分析，通過質(zhì)點在周向和軸向的振動規(guī)律分析數(shù)值模型激勵出的導(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、周向偏置磁場作用下，與動態(tài)磁場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，即以周向振動為主，產(chǎn)生的波沿管道軸向傳播，傳播方向與質(zhì)點振動方向相垂直。說明通過該仿真分析能夠得到由力磁聲多場耦合產(chǎn)生的應(yīng)變，能夠真實反映扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮導(dǎo)波，為后續(xù)研究激勵導(dǎo)波影響因素以及導(dǎo)波增強研究提供了基礎(chǔ)。
　　再次，對磁致伸縮扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波檢測系統(tǒng)搭建了實驗平臺，通

6、過計算激勵出的導(dǎo)波的波速并與理論扭轉(zhuǎn)波的波速作對比，從而確定實驗激勵出的導(dǎo)波模態(tài)為扭轉(zhuǎn)波。針對周向偏置磁場作用下建立的鐵磁性管道激勵扭轉(zhuǎn)波的仿真模型，從激勵信號的電流強度、頻率、周期數(shù)三個方面討論不同影響因素下磁致伸縮激勵傳感器作用區(qū)域內(nèi)質(zhì)點振動位移的變化情況。為了驗證仿真結(jié)果的有效性，對鋼管分別進(jìn)行了不同影響因素下的檢測實驗，并對實驗采集到的波形進(jìn)行分析。結(jié)果表明，隨著激勵信號條件的改變，質(zhì)點振動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)激勵條件，且仿真結(jié)果和實驗結(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)波激勵檢測方面研究的參考。
　　最后，對磁致伸縮扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波激勵傳感器結(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)對管道進(jìn)行超聲檢測。首先介紹了偏置磁場在磁致伸縮導(dǎo)波傳感器中的影響和作用。其次介紹了交叉線圈式激勵傳感器的原理以及構(gòu)造，通過數(shù)值仿真驗證交叉線圈式的磁致伸縮傳感器能夠有效的激勵出扭轉(zhuǎn)波并且證明了管道中合成磁

8、場強度矢量方向?qū)τ谫|(zhì)點振動幅值是有影響的。結(jié)果表明，在不同材質(zhì)中，總存在一個最佳的方向使得質(zhì)點振動幅值最好。然后利用交叉線圈式的傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行實驗，結(jié)果表明交叉線圈式傳感器激勵能量能用于產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波，并對仿真研究進(jìn)行了實驗驗證，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，在本文實驗條件下，當(dāng)動態(tài)磁場強度保持一定時，與環(huán)形線圈磁化鎳帶得到偏置磁場的合成磁場強度矢量方向接近某一最佳方向時，導(dǎo)波幅值