CN109829218B - 一种管路异质界面超声导波传播规律建模分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种管路异质界面超声导波传播规律建模分析方法，所述管路包括直管和异质界面，所述方法包括以下步骤：步骤1、建立管路异质界面动力学显示有限元仿真模型；步骤2、获得超声导波在异质界面处的反射特征波形，以便于剔除该反射特征波形对管路损伤特征波形的影响。该分析方法建立了管路异质界面的有限元仿真模型，推导出超声导波在管路异质界面中传播的频散方程和模态转换关系，得到超声导波在异质界面处的反射特征波形，以便于剔除该反射特征波形对管路损伤特征波形的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种管路异质界面超声导波传播规律建模分析方法，尤其是航天飞行器中的管路异质界面超声导波传播规律，属于管路异质界面分析领域、建模领域。
背景技术
管路系统是航天飞行器中的关键分系统，其用于将推进剂以一定的压力和流量从贮箱传递至发动机，且确保推进剂中不掺杂气体。航天飞行器中的管路系统具有长距离传输、管壁薄的特点，由于受到焊缝、补偿器、支架和法兰等结构的影响，管路系统的损伤检测难度大。随着我国宇航技术的发展，尤其是重复使用航天飞行器的研制需求，对管路损伤检测也提出了更高要求，如何实现管路损伤的准确检测，对管路系统的研制提出了较大挑战。及时准确地将航天飞行器中的管路损伤检测出来，对改进航天飞行器的安全性、可靠性、维修性和可操作性都具有重大意义。
超声导波(也称作制导波，Ultrasonic Guided Wave)检测技术是利用低频扭曲波(Torsinal Wave)或纵波(Longitudinal Wave)对管路或管道进行长距离检测。其具有检测效率高、速度快、可检测整个厚度等优点，目前在航天航空和石油化工等领域成为研究热点。在导波传播机理方面，美国宾夕法尼亚州立大学的Ditri[Ditri J J,Rose JL.Excitation of guided wave modes in hollow cylinders by applied surfacetractions[J].Appl.Phys,2002,72(7):2589-2597.]指出导波频率和该频率下出现的模数决定了导波模态的特征。大连理工大学的孙元斌[孙元斌.管道非连续处导波散射特性研究[D].大连理工大学,2013年6月.]分析和验证了各种类型缺陷对导波散射的影响及缺陷扩展程度与反射系数的关系。在数值仿真方面，研究人员探索了不同缺陷对不同模态导波的反射和透射机理，主要涉及遇到缺陷后导波能量的变化、缺陷形式对导波反射和透射系数的影响等。美国宾夕法尼亚州立大学的Rose[Rose J L,Zhang W,Cho Y.Boundary elementmodeling for guided wave reflection and transmission factor analyses indcfccl classification[J].IEEE Ultrasonics Symposium,1998,1:885-888.]利用边界元法研究板波反射和透射时，对缺陷形式进行了分类。暨南大学的张伟伟[张伟伟,王志华,马宏伟.含缺陷管道超声导波检测信号的相关性分析[J].声学学报,2009,30(4):269-272.]利用有限元方法研究了导波监测信号在不同的噪声干扰下的相关性。
可见，现有技术中，传统的超声导波传播机理和数值仿真研究对超声导波的性质和功能进行了理论研究和试验验证，缺少实际应用中的超声导波在管路异质界面中的传播机理研究。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有技术中的上述不足和需求，本发明提出了一种管路异质界面超声导波传播规律建模分析方法，该分析方法建立了管路异质界面的有限元仿真模型，推导出超声导波在管路异质界面中传播的频散方程和模态转换关系，得到超声导波在异质界面处的反射特征波形，以便于剔除该反射特征波形对管路损伤特征波形的影响。
(二)技术方案
一种管路异质界面超声导波传播规律建模分析方法，所述管路包括直管和异质界面，所述方法包括以下步骤：
步骤1、建立管路异质界面动力学显示有限元仿真模型：建立所述显示有限元仿真模型时，分别建立直管显示有限元仿真模型和异质界面显示有限元仿真模型，并分别赋予不同的材料属性，然后使用Merge功能将两仿真模型合并或者在异质界面上建立Tie约束，以将异质界面与直管界面进行绑定；
步骤2、获得超声导波在异质界面处的反射特征波形，以便于剔除该反射特征波形对管路损伤特征波形的影响。
所述异质界面为焊缝。
所述步骤1中，所述管路异质界面动力学有限元仿真模型中的参数包括弹性模量和泊松比，结合焊缝力学性能测试结果，对焊缝的材料参数进行修正。
所述力学性能测试为单向拉伸试验，包括以下步骤：
(1)采用对接焊工艺制造工艺试样，工艺试样中的焊缝宽度不低于待测焊缝原始标准距离的1/3，且焊缝部分位于工艺试样的中部；
(2)实施拉伸试验；
(3)绘制工艺试样中焊缝的拉伸应力应变曲线，其斜率即为焊缝的弹性模量，其横向应变与纵向应变的比值即为泊松比。
所述拉伸试验根据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验方法》实施。
所述修正，包括修正系数，修正系数在0.85-0.95之间。
所述步骤2具体包括以下步骤：
a、设置时间步和边界条件：所述时间步分为第一时间步和第二时间步，第一时间步内施加位移激励，第二个时间步内管道在一定的边界条件下振荡；所述边界条件包括第一边界条件和第二边界条件，第一边界条件为位移激励，所述位移激励施加在管路始端并在第一时间步内激活，在第二时间步内失效；第二边界条件为位移约束，所述位移约束施加在管壁最外层节点，约束管路的横向运动，管路轴向可自由振动；
b、设置网格单元；
c、获取管路位移响应曲线：在管路的一端均匀环向布置若干个接收点作为位移响应输出观测点，将得到的位移响应结果累加求平均值，得到管路损伤响应信号，即一条位移响应曲线，所述曲线记为[l1,l2…ln]，其中，l为位移值，n为采样数量；
d、设置不同的焊缝宽度、不同的焊缝材料力学性能参数，得到一系列位移响应曲线[lk 1,lk 2…lk n]，即一系列超声导波反射特征波形，其中k代表不同的模型特征；
e、通过计算不同模型特征下的位移响应曲线，建立位移响应曲线样本库；
f、通过对比测试得到的位移响应曲线与位移响应曲线库样本之间的距离，剔除该特征波形对管路损伤特征波形的影响。
所述位移激励为随时间变化的强迫节点位移激励。该位移激励具体为汉宁窗调制的5周期正弦波。
所述网格单元的尺寸满足L≤λ/8的标准，其中，L为网格尺寸，λ为超声导波波长。
所述接收点设置为16个。
(三)有益效果
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提出一种管路异质界面有限元仿真模型，显式有限元相对于现有技术中的隐式算法的优点是能够捕捉高频振荡，对于碰撞、冲击这种瞬时高速工况，显示有限元具有良好的适用性和稳定度，便于研究实际应用中超声导波在管路中传播机理。
(2)本发明提出的管路异质界面有限元仿真模型，包含直管部分和焊缝，利用焊缝力学性能试验结果对焊缝材料参数进行修整，对真实焊缝还原程度较高，真实反映超声导波在焊缝处传播机理。
(3)本发明建立了焊缝特征典型样本库，便于剔除焊缝特征波形对管路损伤特征波形的影响，提高焊缝特征检测效率和精度。
具体实施方式
本发明的一种管路异质界面超声导波传播规律建模分析方法，所述管路包括直管和异质界面，所述方法包括以下步骤：
步骤1、建立管路异质界面动力学显示有限元仿真模型：建立所述显示有限元仿真模型时，分别建立直管显示有限元仿真模型和异质界面显示有限元仿真模型，并分别赋予不同的材料属性，然后使用Merge功能将两仿真模型合并或者在异质界面上建立Tie约束，以将异质界面与直管界面进行绑定；
步骤2、获得超声导波在异质界面处的反射特征波形，以便于剔除该反射特征波形对管路损伤特征波形的影响。
所述异质界面为焊缝。
所述步骤1中，所述管路异质界面动力学有限元仿真模型中的参数包括弹性模量和泊松比，结合焊缝力学性能测试结果，对焊缝的材料参数进行修正。
所述力学性能测试为单向拉伸试验，包括以下步骤：
(1)采用对接焊工艺制造工艺试样，工艺试样中的焊缝宽度不低于待测焊缝原始标准距离的1/3，且焊缝部分位于工艺试样的中部；
(2)实施拉伸试验；
(3)绘制工艺试样中焊缝的拉伸应力应变曲线，其斜率即为焊缝的弹性模量，其横向应变与纵向应变的比值即为泊松比。
所述拉伸试验根据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验方法》实施。
所述修正，包括修正系数，修正系数在0.85-0.95之间。
所述步骤2具体包括以下步骤：
a、设置时间步和边界条件：所述时间步分为第一时间步和第二时间步，第一时间步内施加位移激励，第二个时间步内管道在一定的边界条件下振荡；所述边界条件包括第一边界条件和第二边界条件，第一边界条件为位移激励，所述位移激励施加在管路始端并在第一时间步内激活，在第二时间步内失效；第二边界条件为位移约束，所述位移约束施加在管壁最外层节点，约束管路的横向运动，管路轴向可自由振动；
b、设置网格单元；
c、获取管路位移响应曲线：在管路的一端均匀环向布置若干个接收点作为位移响应输出观测点，将得到的位移响应结果累加求平均值，得到管路损伤响应信号，即一条位移响应曲线，所述曲线记为[l1,l2…ln]，其中，l为位移值，n为采样数量；
d、设置不同的焊缝宽度、不同的焊缝材料力学性能参数，得到一系列位移响应曲线[lk 1,lk 2…lk n]，即一系列超声导波反射特征波形，其中k代表不同的模型特征；
e、通过计算不同模型特征下的位移响应曲线，建立位移响应曲线样本库；
f、通过对比测试得到的位移响应曲线与位移响应曲线库样本之间的距离，剔除该特征波形对管路损伤特征波形的影响。
所述位移激励为随时间变化的强迫节点位移激励。该位移激励具体为汉宁窗调制的5周期正弦波。
所述网格单元的尺寸满足L≤λ/8的标准，其中，L为网格尺寸，λ为超声导波波长。
所述接收点设置为16个。
Claims (6)
1.一种航天飞行器中管路异质界面超声导波传播规律建模分析方法，所述管路包括直管和异质界面，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、建立管路异质界面动力学显示有限元仿真模型：建立所述显示有限元仿真模型时，分别建立直管显示有限元仿真模型和异质界面显示有限元仿真模型，并分别赋予不同的材料属性，然后使用Merge功能将两仿真模型合并或者在异质界面上建立Tie约束，以将异质界面与直管界面进行绑定；
步骤2、获得超声导波在异质界面处的反射特征波形，以便于剔除该反射特征波形对管路损伤特征波形的影响；
所述异质界面为焊缝；
所述步骤1中，所述管路异质界面动力学显示有限元仿真模型中的参数包括弹性模量和泊松比，结合焊缝力学性能测试结果，对焊缝的材料参数进行修正；
所述步骤2具体包括以下步骤：
a、设置时间步和边界条件：所述时间步分为第一时间步和第二时间步，第一时间步内施加位移激励，第二个时间步内管道在一定的边界条件下振荡；所述边界条件包括第一边界条件和第二边界条件，第一边界条件为位移激励，所述位移激励施加在管路始端并在第一时间步内激活，在第二时间步内失效；第二边界条件为位移约束，所述位移约束施加在管壁最外层节点，约束管路的横向运动，管路轴向可自由振动；
b、设置网格单元；
c、获取管路位移响应曲线：在管路的一端均匀环向布置若干个接收点作为位移响应输出观测点，将得到的位移响应结果累加求平均值，得到管路损伤响应信号，即一条位移响应曲线，所述曲线记为[l1,l2…ln]，其中，l为位移值，n为采样数量；
d、设置不同的焊缝宽度、不同的焊缝材料力学性能参数，得到一系列位移响应曲线[lk 1,lk 2…lk n]，即一系列超声导波反射特征波形，其中k代表不同的模型特征；
e、通过计算不同模型特征下的位移响应曲线，建立位移响应曲线样本库；
f、通过对比测试得到的位移响应曲线与位移响应曲线库样本之间的距离，剔除该特征波形对管路损伤特征波形的影响。
2.如权利要求1所述的一种航天飞行器中管路异质界面超声导波传播规律建模分析方法，其特征在于，所述力学性能测试为单向拉伸试验，包括以下步骤：
(1)采用对接焊工艺制造工艺试样，工艺试样中的焊缝宽度不低于待测焊缝原始标准距离的1/3，且焊缝部分位于工艺试样的中部；
(2)实施拉伸试验；
(3)绘制工艺试样中焊缝的拉伸应力应变曲线，其斜率即为焊缝的弹性模量，其横向应变与纵向应变的比值即为泊松比。
3.如权利要求2所述的一种航天飞行器中管路异质界面超声导波传播规律建模分析方法，其特征在于，所述修正包括修正系数，修正系数在0.85-0.95之间。
4.如权利要求3所述的一种航天飞行器中管路异质界面超声导波传播规律建模分析方法，其特征在于，所述位移激励为随时间变化的强迫节点位移激励，该位移激励为汉宁窗调制的5周期正弦波。
5.如权利要求4所述的一种航天飞行器中管路异质界面超声导波传播规律建模分析方法，其特征在于，所述网格单元的尺寸满足L≤λ/8的标准，其中，L为网格尺寸，λ为超声导波波长。
6.如权利要求5所述的一种航天飞行器中管路异质界面超声导波传播规律建模分析方法，其特征在于，所述接收点设置为16个。
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