CN103323529A - 利用改进型杜芬混沌系统识别斜裂纹管道超声导波的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用改进型杜芬混沌系统识别斜裂纹管道超声导波的方法，有以下步骤：1)在管道的一侧端面激发超声导波信号，使超声导波遍历管道的所有位置；2)在激发端附近的接收端接收超声导波回波信号并记录超声导波管道中传播的时间历程曲线，其中超声导波回波信号包含端面回波信号、噪声信号和淹没在噪声中的斜裂纹缺陷信号；3)利用改进型杜芬混沌系统对超声导波回波信号进行检测与分析，提取并识别淹没在噪声中的斜裂纹缺陷信息，获得整个管道的斜裂纹缺陷情况。本发明可以精确识别管道中的斜裂纹缺陷，提高缺陷的检测效率，降低维修成本，能有效延长超声导波检测的范围，提高微弱斜裂纹缺陷的检测的灵敏度，具有实际的工程应用价值。

Description

利用改进型杜芬混沌系统识别斜裂纹管道超声导波的方法

技术领域

本发明涉及一种管道中的斜裂纹缺陷识别方法，尤其是一种利用改进型杜芬混沌系统识别斜裂纹管道超声导波的方法，属于管道运输行业的损伤检测技术领域。

背景技术

管道运输作为与铁路、公路、航空、水运并列的五大运输行业之一，是国民经济综合运输的重要组成部分之一，也是衡量一个国家的能源与运输业是否发达的主要标志。然而，管道在其服役期不可避免地面临着腐蚀、埋地(或架设)地区环境以及人为破坏等因素的潜在威胁，一旦发生管道破裂，后果不堪设想。为此有必要对管道的损伤状况进行分析识别。

目前为防止管道腐蚀穿孔、爆管等造成的恶性事故的发生，我国每年用于管道维修费用达数亿元，且逐年增加。传统的管道损伤检测方法，如超声波检测、磁漏检测、射线检测法等，不得不对结构进行逐点扫描，对于管道等大型结构，传统方法费时、费力，而且漏检风险高，实际工程中由于受上述检测手段的制约，管道损伤状况多数不明，往往造成盲目开挖、盲目报废，维修缺少科学性，从而造成人力、物力的巨大浪费。而“超声导波技术”是一种利用波在固体中的传播特性提出的一种新的无损检测技术，该技术的优点在于其检测范围是“线”而非“点”，此外，声场遍布整个管道，无论是表面缺陷还是内部缺陷都具有一定的识别精度；并且可实现在线检测，该技术具有快捷、便利、高效等特点。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种可以精确识别管道中的斜裂纹缺陷，提高缺陷的检测效率和降低维修成本的利用改进型杜芬混沌系统识别斜裂纹管道超声导波的方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

利用改进型杜芬混沌系统识别斜裂纹管道超声导波的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在管道的一侧端面激发超声导波信号，使超声导波遍历管道的所有位置；

2)在激发端附近的接收端接收超声导波回波信号并记录超声导波在管道中传播的时间历程曲线，其中超声导波回波信号包含端面回波信号、噪声信号和淹没在噪声中的斜裂纹缺陷信号；

3)利用改进型杜芬混沌系统对超声导波回波信号进行检测与分析，提取并识别淹没在噪声中的斜裂纹缺陷信息，获得整个管道的斜裂纹缺陷情况。

作为一种优选方案，步骤1)所述超声导波信号频率为65KHz～75KHz。

作为一种优选方案，步骤2)所述接收端与激发端之间的距离为3mm～5mm。

作为一种优选方案，步骤3)利用改进型杜芬混沌系统对超声导波回波信号进行检测与分析具体如下：

a)选取改进型杜芬混沌系统，如下式：

$\stackrel{\·\·}{x}+k\stackrel{\·}{x}-x^3+x^5=F\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+\stackrel{\‾}{s}\left(t\right)---\left(1\right)$

其中，k为阻尼比，Fcos(ωt)为驱动力项，

为待检测超声导波回波信号；

b)选取位移x和速度v对式(1)进行改写，如下式：

$\left.\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}=v\\ \stackrel{\·}{v}=-\mathrm{kv}+x^3-x^5+F\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+\stackrel{\‾}{s}\left(t\right)\end{array}\right\}---\left(2\right)$

c)将超声导波回波信号输入式(2)得到相轨迹，若相轨迹进入混沌态，则超声导波回波信号中含有斜裂纹缺陷信号。

作为一种优选方案，步骤b)中，通过Melnikov方法求得式(2)的阈值，表达式如下：

$\frac{F}{k}=R\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{4\cosh (\mathrm{\π\ω}/2)}{3\sqrt{2}\mathrm{\π\ω}}---\left(3\right)$

其中，F为驱动力，ω为驱动力频率。

作为一种优选方案，步骤b)中，使用高精度四阶龙格-库塔法对式(2)进行求解，计算初值设定为x＝0，

k＝0.5，ω＝0.439823。

作为一种优选方案，所述驱动力F的选取如下：

当驱动力F取值由0逐渐增大时，改进型杜芬系统相轨迹经历不动点和各个周期，逐渐进入混沌态、大周期态和奇怪吸引子，最终选取F＝0.429，作为改进型杜芬混沌系统位于大周期态与吸引子的临界值。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明是基于超声导波的管道识别方法，利用改进型杜芬混沌系统对噪声的免疫力，可以对强噪声下的超声导波信号进行检测与分析，以达到模拟和评估管道中是否含有斜裂纹的目的。

2、本发明利用改进型杜芬混沌系统可以精确识别管道中的斜裂纹缺陷，提高缺陷的检测效率，降低维修成本，同时根据改进型杜芬混沌系统的敏感性，能有效延长超声导波检测的范围，提高微弱斜裂纹缺陷的检测的灵敏度，具有实际的工程应用价值。

3、本发明的识别方法可利用现有国内外管道检测设施，采用比较经济有效的检测方法，可减少管道的定期检修和盲目报废所带来的巨额的经济损失，具有十分重要的现实与经济意义。

附图说明

图1为本发明利用改进型杜芬混沌系统识别管道中斜裂纹缺陷的流程图。

图2为管道仿真模型图。

图3a-3d分别为4个斜裂纹缺陷单元的网格划分图。

图4为管道模型施加的位移载荷曲线图。

图5为超声导波信号在管道模型中传播的时间历程曲线。

图6为缺陷回波信号幅值随斜裂纹缺陷角度变化的曲线图。

图7a-7e为驱动力由0逐渐增大时改进型杜芬混沌系统相轨迹演变图。

图8a为由图5截图的缺陷回波信号；图8b为改进型杜芬混沌系统对缺陷回波信号检测的相轨迹图。

图9a为方差是σ＝0.00001的纯噪声信号示意图；图9b为方差是σ＝0.7的纯噪声信号信号示意图。

图10a为方差是σ＝0.00001的纯噪声信号输入改进型杜芬混沌系统所得的相轨迹图；图10b为方差是σ＝0.7的纯噪声信号输入改进型杜芬混沌系统所得的相轨迹图。

图11a为含方差是σ＝0.00001噪声的缺陷回波信号；图12b为含方差是σ＝0.7噪声的缺陷回波信号。

图12a为含方差是σ＝0.00001噪声的缺陷回波信号输入改进型杜芬混沌系统所得的相轨迹图；图12b为含方差是σ＝0.7的纯噪声信号输入改进型杜芬混沌系统所得的相轨迹图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，本实施例以具体管道为例对管道中的斜裂纹缺陷进行识别，如下：

1)在具体管道的一侧端面激发超声导波信号，使超声导波遍历管道的所有位置，实验过程如下：

a)使用三维绘图软件建立所述管道的几何模型，其中管道模型直径为40mm，长度为4m，如图2所示；

b)在管道模型中央位置2m处分别划分4个斜裂纹缺陷单元，其中每个单元的厚度为1mm，长度为16mm，角度分别为15°、30°、45°和90°，如图3a-3d所示；

c)定义管道模型的材质及其参数，其中材质为钢，密度为ρ＝7.85×10³kg/m³，弹性模量E＝200GPa，泊松比μ＝0.33；

d)在管道模型的一侧所有节点施加10周期，70KHz频率的位移载荷(相当于仿真的超声导波信号)，如图4所示，位移载荷表达式如下：

$s\left(t\right)=\left[\frac{1}{2}(1-\cos \frac{2\mathrm{\π}{f}_{c}t}{n})\right]\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{c}t\right)$

其中，f_c为施加信号的频率，t是时间，n是周期；

2)收集超声导波回波信号，实验过程如下：

a)在距离管道模型激发端的4mm处的接收端收集仿真的缺陷回波信号，记录超声导波信号在管道模型中传播的时间历程曲线，如图5所示；

b)比较含斜裂纹缺陷的管道模型对仿真的缺陷回波信号幅值的影响，如图6所示，可以看到随着裂纹角度的增大，缺陷回波信号幅值在逐渐变小。

3)计算改进型杜芬混沌系统检测模型，具体如下：

a)选取改进型杜芬混沌系统，如下式：

$\stackrel{\·\·}{x}+k\stackrel{\·}{x}-x^3+x^5=F\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+\stackrel{\‾}{s}\left(t\right)---\left(1\right)$

其中，k为阻尼比，Fcos(ωt)为驱动力项，

为待检测超声导波回波信号；

b)选取位移x和速度v对式(1)进行改写，如下式：

$\left.\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}=v\\ \stackrel{\·}{v}=-\mathrm{kv}+x^3-x^5+F\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+\stackrel{\‾}{s}\left(t\right)\end{array}\right\}---\left(2\right)$

c)通过Melnikov方法求得式(2)的阈值，表达式如下：

$\frac{F}{k}=R\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{4\cosh (\mathrm{\π\ω}/2)}{3\sqrt{2}\mathrm{\π\ω}}---\left(3\right)$

其中，F为驱动力，ω为驱动力频率，设置ω＝2π0.07rad/μs≈0.439823rad/μs；当

时，系统可能会出现混沌；

d)使用高精度四阶龙格-库塔法对式(2)进行求解，计算初值设定为x＝0，

k＝0.5，ω＝0.439823，为了满足精度要求，步长设定为0.01，随着F的取值逐渐增大，不考虑输入信号，求得的相轨迹如图7a-7e所示；

e)根据图7a-7e所示的，驱动力F取值由0逐渐增大时，改进型杜芬系统经历不动点、周期1、周期2等，逐渐进入混沌态，大周期，奇怪吸引子，最终选取F＝0.429，作为改进型杜芬混沌系统位于大周期态与吸引子的临界值。

4)检测缺陷回波信号，如下：

截取图5的缺陷回波信号如图8a所示，将检测信号进行归一化，归一化公式为将归一化后的信号输入式(2)，如图8b所示，可以看到有超声导波信号时，改进型杜芬混沌系统相轨迹会发生变化，由大周期态变换为混沌态。

5)检测含噪声的缺陷回波信号，具体如下：

a)验证改进型杜芬混沌系统对噪声的免疫力。将图9a所示的方差是σ＝0.00001的纯噪声信号和图9b所示的方差是σ＝0.7的纯噪声信号分别输入改进型混沌系统，添加噪声后，相轨迹分别如图10a和图10b所示，可以看到相轨迹整体趋势并没改变，只是变的较为粗糙，实验证明，噪声水平在0.8以下，改进型杜芬混沌对噪声具有良好的免疫力。

b)在缺陷回波信号中分别添加方差是σ＝0.00001和σ＝0.7的噪声，如图11a和图11b所示，含噪声的信号表达式为

其中，

为缺陷回波信号，σ为噪声水平，e(t)为高斯噪声，可以看到缺陷回波信号几乎被噪声信号完全掩盖。

c)将含方差是σ＝0.00001和σ＝0.7的噪声的缺陷回波信号分别输入式(2)，如图12a和图12b所示，可以很清楚地看到改进型杜芬混沌系统转入混沌态，由此可知，改进型杜芬混沌系统可以检测含噪声的斜裂纹管道超声导波信号。

以上所述，仅为本发明优选的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.利用改进型杜芬混沌系统识别斜裂纹管道超声导波的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在管道的一侧端面激发超声导波信号，使超声导波遍历管道的所有位置；

2)在激发端附近的接收端接收超声导波回波信号并记录超声导波在管道中传播的时间历程曲线，其中超声导波回波信号包含端面回波信号、噪声信号和淹没在噪声中的斜裂纹缺陷信号；

3)利用改进型杜芬混沌系统对超声导波回波信号进行检测与分析，提取并识别淹没在噪声中的斜裂纹缺陷信息，获得整个管道的斜裂纹缺陷情况。

2.根据权利要求1所述的一种利用改进型杜芬混沌系统识别斜裂纹管道超声导波的方法，其特征在于：步骤1)所述超声导波信号频率为65KHz～75KHz。

3.根据权利要求1所述的一种利用改进型杜芬混沌系统识别斜裂纹管道超声导波的方法，其特征在于：步骤2)所述接收端与激发端之间的距离为3mm～5mm。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种利用改进型杜芬混沌系统识别斜裂纹管道超声导波的方法，其特征在于：步骤3)利用改进型杜芬混沌系统对超声导波回波信号进行检测与分析具体如下：

a)选取改进型杜芬混沌系统，如下式：

$\stackrel{\·\·}{x}+k\stackrel{\·}{x}-x^3+x^5=F\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+\stackrel{\‾}{s}\left(t\right)---\left(1\right)$

其中，k为阻尼比，Fcos(ωt)为驱动力项，

为待检测超声导波回波信号；

b)选取位移x和速度v对式(1)进行改写，如下式：

$\left.\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}=v\\ \stackrel{\·}{v}=-\mathrm{kv}+x^3-x^5+F\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+\stackrel{\‾}{s}\left(t\right)\end{array}\right\}---\left(2\right)$

c)将超声导波回波信号输入式(2)得到相轨迹，若相轨迹进入混沌态，则超声导波回波信号中含有斜裂纹缺陷信号。

5.根据权利要求4所述的一种利用改进型杜芬混沌系统识别斜裂纹管道超声导波的方法，其特征在于：步骤b)中，通过Melnikov方法求得式(2)的阈值，表达式如下： $\frac{F}{k}=R\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{4\cosh (\mathrm{\π\ω}/2)}{3\sqrt{2}\mathrm{\π\ω}}---\left(3\right)$

其中，F为驱动力，ω为驱动力频率。

6.根据权利要求5所述的一种利用改进型杜芬混沌系统识别斜裂纹管道超声导波的方法，其特征在于：步骤b)中，使用高精度四阶龙格-库塔法对式(2)进行求解，计算初值设定为x＝0，

k＝0.5，ω＝0.439823。

7.根据权利要求6所述的一种利用改进型杜芬混沌系统识别斜裂纹管道超声导波的方法，其特征在于：所述驱动力F的选取如下：

当驱动力F取值由0逐渐增大时，改进型杜芬系统相轨迹经历不动点和各个周期，逐渐进入混沌态、大周期态和奇怪吸引子，最终选取F＝0.429，作为改进型杜芬混沌系统位于大周期态与吸引子的临界值。

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