CN116341305A - 一种基于柱坐标系压力管道超声波数值模拟系统 - Google Patents

一种基于柱坐标系压力管道超声波数值模拟系统 Download PDF

Info

Publication number
CN116341305A
CN116341305A CN202310061782.9A CN202310061782A CN116341305A CN 116341305 A CN116341305 A CN 116341305A CN 202310061782 A CN202310061782 A CN 202310061782A CN 116341305 A CN116341305 A CN 116341305A
Authority
CN
China
Prior art keywords
ultrasonic
pressure pipeline
cylindrical coordinate
coordinate system
numerical simulation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310061782.9A
Other languages
English (en)
Inventor
彭代诚
佘晓宇
许辉群
唐永杰
宗育泉
杨俊波
张晓健
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yangtze University
Original Assignee
Yangtze University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Yangtze University filed Critical Yangtze University
Priority to CN202310061782.9A priority Critical patent/CN116341305A/zh
Publication of CN116341305A publication Critical patent/CN116341305A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/06—Visualisation of the interior, e.g. acoustic microscopy
    • G01N29/0654—Imaging
    • G01N29/069—Defect imaging, localisation and sizing using, e.g. time of flight diffraction [TOFD], synthetic aperture focusing technique [SAFT], Amplituden-Laufzeit-Ortskurven [ALOK] technique
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/44—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/44—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G01N29/4472—Mathematical theories or simulation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
    • G06T17/20—Finite element generation, e.g. wire-frame surface description, tesselation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/10—Numerical modelling
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00—Details relating to the application field
    • G06F2113/14—Pipes
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Computer Graphics (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明公开一种基于柱坐标系压力管道超声波数值模拟系统，本发明针对在压力管道超声波场模拟过程中，直角坐标难以准确刻画管道圆柱形空间，以及压力管道实际超声波检测成像精度较低的问题，将柱坐标系下超声波模拟应用到压力管道检测中，提供一种压力管道三维典型缺陷的超声波模拟的系统及方法，提高了对压力管道典型缺陷超声检测的准确性，同时通过优化观测系统设计，为实际超声波检测工作提供技术和理论基础，建立压力管道超声波检测方法的解释流程系统。

Description

一种基于柱坐标系压力管道超声波数值模拟系统
技术领域
本发明涉及压力管道超声波检测领域，尤其是涉及一种基于柱坐标系压力管道超声波数值模拟系统。
背景技术
管道运输被称为“生命线”，与公路运输、铁路运输、水路运输和航空运输一起统称为五大运输工具，是城市建设的重要基础设施。近年来，随着清洁能源战略的推进，天然气正在逐步替代煤炭，目前的管道规模已不能满足生产生活的需求，由此必然导致压力输送方式的广泛运用。压力管道规模越来越大，带来便利、高效的同时，随之而来的是与日俱增的高风险。
压力管道，指的是利用一定的压力，用于输送气体或者液体的管状设备，其范围规定为最高工作压力表压大于或者等于0.1MPa的气体、液化气体、蒸汽介质或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体介质，且公称直径大于25mm壁厚大于20mm的管状设备。这种厚壁管道由于长期持续性地处于高温承压和腐蚀性的条件下而导致设备的使用性能受到外部环境等因素影响，形成裂纹、砂孔、减薄等缺陷，进而使得设备失效，一旦发生事故就会造成非常惨重的人员伤亡和经济损失。因此对压力管道进行全方位、高精度的检测，准确、及时地探明管道中出现的各种缺陷，有效消除安全隐患，具有十分重要的经济效益和社会效益。压力管道由于其特殊属性，例如种类繁多、长细比大、管壁厚等，使得传统的检测技术很难应用。而超声波无损检测在不损坏、不影响压力管道的性能和内部组织的情况下，为检测厚壁管道内部缺陷的形状和结构提供了可能。
超声波检测方法的原理是利用人工的方法在被测物体中激发出一定频率的弹性波，通过分析超声波速度和能量衰减的变化来判断被检测对象内部结构是否有缺陷存在。它可以通过表面波，体波传播以及导波传播来确定缺陷的大小。因此，能够有效地检测缺陷尺寸，裂纹位置，分层位置，复合材料的叠层堆叠顺序。此外，还能检测纤维波纹度以及中尺度层纤维取向等。超声波无损检测技术的起源可以追溯到20世纪30年代。苏联科学家Sokoloff提出把超声波检测技术作为无损检测的一种方法，并完成了其首次检测实验，从此揭开了超声波无损检测的序幕。随着计算机技术的发展，超声波检测也得到了迅速发展并扩展到制造业、工程检测和特种设备检测的许多领域中。例如在工程方面的混凝土超声检测；制造业中复合材料的检测、管道检测等。在超声波检测的发展同时，超声成像技术也很快成为研究的热门。超声成像技术有很多种，其中有超声全息、超声显微镜、超声CT、幅度—传播时间—位置曲线超声成像等。除此之外，目前被广泛应用的有合成孔径聚焦(Synthetic aperture focusing technology,SAFT)超声成像、衍射时差法(TimeofFlight Diffraction,TOFD)以及相控阵超声成像。这些技术代表了不同研究阶段的技术成果及特点。
超声波无损检测的关键是提高检测的准确性和缺陷的识别能力，但在对压力管道进行超声波无损检测时，由于其管壁较厚，使得超声波检测获得的波场信息丰富且复杂，而且压力管道这种圆柱形空腔的存在进一步加剧了波场的复制性，不利于压力管道缺陷超声波传播特性与规律的认识，使得在实际探测中不能准确地探测前方岩体的结构形态。因此，为提高超声波探测压力管道中缺陷结构与物性参数的精度和准确性，首先要开展压力管道中超声波的数值模拟与典型缺陷的响应机理分析研究。
数值模拟方法始于上世纪的60年代，其中有限差分数值模拟方法具有速度快、占用内存小、精度高等优势，这些使得其在数值模拟领域得到了广泛的应用；美国科学家Alterman等做了有限差分数值模拟开创性的工作，随后提出的交错网格有限差分法极大地提高了计算精度，成为了弹性波数值模拟的经典之作，之后，国外科学家Graves将速度-应力方程的交错网格有限差的交错网格有限差分法推广到了三维情形，与此相关的差分方法研究、频散与稳定性分析、吸收边界方法处理等方面的研究工作也相继展开。在超声波数值模拟方面，最早是应用于医学上，而后有国外科学家Huber等根据超声波与真实材料缺陷相互作用进行了数值模拟。随着医学上使用三维超声波成像之后三维超声波模拟已经深入各个领域，其中包括三维超声波测风、三维超声波检测、三维超声波模拟等。
上述的有限差分数值模拟研究都是在直角坐标系下进行的，当用直角网格去描述层状模型时，可以完美描述模型的构造特征，但当用直角网格描述实际勘探中隧道、管道等这类柱形构建物进行有限差分法数值模式拟时，直角网格只能通过以直代曲的方式去逼近，这样的话就会产生虚假绕射波，虽然通过减小网格步长的方法可以有效的减弱虚假绕射波，但是有限差分的计算量会大大的增加，而且即使采用变网格技术，在处理类似管道空间的弧形边界也只能是进行网格的细分和阶梯近似，很难在有限的空间范围内接近柱形构建物的形态，也不能准确地处理弧形空间边界。而且在这种情况下网格造成的散射等问题会使得模拟结果存在较大的误差，甚至会影响后续三维成像和物性提取方法理论的研究。而在柱坐标系下，剖分网格在几何形态上能够精确地表示压力管道所包含的空气柱形空间，在柱坐标系下有限差分法也可以像类似直角网格剖分的方法求解。另外，当对压力管道进行正演模拟时，因其厚壁管道结构内、外存在两个与空气之间有较大波阻抗差的弧形自由界面，在柱坐标系下需对两个自由界面同时处理，若处理不当将直接影响柱坐标系下数值模拟结果的正确性。
发明内容
本发明目的是在柱坐标系下提供一种压力管道超声波三维数值模拟系统，提高超声波无损检测的准确度和缺陷的识别能力，以满足工程需求。
为实现以上目的，本发明技术方案为：
一种基于柱坐标系压力管道超声波数值模拟系统，所述系统包括，
数据获取模块，获取待模拟压力管道的基础数据；
初始参数设定模块，根据获取的压力管道基础数据及缺陷特征设定初始参数；
弹性波波动方程构建模块，根据设定的初始参数，基于柱坐标系，采用设定的网格步长和时间步长，构建弹性波波动方程的有限差分网格剖分格式；
边界条件构建模块，基于柱坐标系，分别在三个方向对获得的波场进行不同边界处理；
数值模拟模块，根据获取的初始参数、确定的震源加载方式、得到的弹性波波动方程以及边界条件处理进行地震波场延拓，得到模拟波场和地震记录。
进一步的是，所述的不同边界处理包括柱坐标系下压力管道轴向边界处理，柱坐标系下压力管道径向边界处理，以及柱坐标系下压力管道角度向边界处理。
进一步的是，所述的轴向边界和径向边界处理采用分裂式的完美匹配层吸收边界SPML；所述的径向边界进行自由边界处理。
进一步的是，所述的数值模拟是进行三维柱坐标超声波有限差分数值模拟。
进一步的是，所述的三维柱坐标超声波有限差分数值模拟方法包括以下步骤：
步骤一：基于待模拟压力管道的基础数据，设定初始参数，得出柱坐标系下的各向同性介质中的一阶速度-应力方程的有限差分网格剖分格式；
步骤二：在有限差分网格剖分格式的基础上，对数值模拟的稳定性进行讨论；
步骤三：根据设定的初始参数结合超声波高频特征，选取符合稳定条件的网格步长以及时间步长；
步骤四：依据实际超声检测中的超声波探头确定震源加载方式；
步骤五：根据获取的初始参数、得到的弹性波波动方程的有限差分网格剖分格式、确定的震源加载方式及稳定条件进行地震波场延拓，对波场进行边界条件处理，对波场进行边界条件处理，得到模拟波场和超声检测记录。
进一步的是，所述的步骤二中稳定性讨论方法是时间步长Δt及最大网格步长max(ΔR,Δθ·(R0+nΔR),ΔZ)满足以下公式要求：
Figure SMS_1
Figure SMS_2
式中ΔR表示径向即R方向的网格步长，ΔZ表示轴向即Z向的网格步长，Δθ·(R0+nΔR)表示弧长即角度向网格步长，Vmin表示最小体波速度，fmax表示最大的子波频率，NR表示角度向的网格点数，R0为压力管道内径；
时间步长Δt及最大网格步长max(ΔR,Δθ·(R0+nΔR),ΔZ)满足公式要求则数值模拟具备稳定性，时间步长以及网格步长符合稳定条件。
进一步的是，所述的待模拟压力管道的基础数据包括管道长度、厚度、半径、形状、弹性参数；所述初始参数包括网格大小即网格步长、采样频率、采样时长；采样时长依据需要多长时间的超声波信号以实际情况确定。
进一步的是，所述的震源加载方式是根据实际超声的超声波探头的发射极，选择接近超声波的主频，震源加载时将单震源的力加载在一个面上，一共在五个点上加力。
本发明的有益效果是：
1.通过本发明可得到压力管道的模拟波场，进而得到波场特征，因压力管道上不同缺陷对应的波长特征不同，本发明通过获得的波场特征，可确定压力管道具备何种类型的缺陷。
2.本发明基于柱坐标系的压力管道超声波数值模拟系统及方法，能够解决用直角网格描述实际管道等这类柱形构建物进行有限差分法数值模式拟时产生虚假绕射波，提高模拟精度。
3.本发明基于柱坐标系的压力管道超声波数值模拟方法及系统，能够准确地处理弧形空间边界，解决了即使依靠变网格进行网格的细分和阶梯近似也很难在有限的空间范围内接近柱形构建物的形态这一问题，解决了压力管道内外两个物性突变面自由边界的处理问题，实现对压力管道超声波的传播更加真实的模拟。
4.本发明基于柱坐标系的压力管道超声波数值模拟方法及系统，能够对超声波检测中常见缺陷进行三维数值模拟，相较于二维数值模拟，模拟精度更高且能获得整个管道内三维结构，提高对缺陷解译的可靠性和超声波检测的准确性；本发明为实际超声波检测工作提供了技术和理论基础，建立压力管道超声波检测系统及方法。
5.本发明基于柱坐标系的压力管道超声波数值模拟方法及系统，通过分析总结管道三维典型缺陷的波场响应机理以及讨论和分析不同炮点以及不同检波器排列方式的波场响应特征，选择最优观测系统对实际超声波检测进行理论指导，还能为后期研究三维成像理论提供基础。
附图说明
图1为本发明实施流程图。
图2为本发明实施例1提供的柱坐标系下的交错网格剖分样式。
图3为本发明实施例1提供的柱坐标系下的单元格。
图4为超声波检测中常见的压电陶瓷超声波探头。
图5为本发明开实施例1提供的面震源示意图。
图6为本发明实施例1提供的柱坐标系下压力管道边界处理示意。
图7为本发明实施例1提供的SPML边界条件Vz分量不同时刻波场快照图。
图8为本发明实施例1提供的柱坐标系下自由界面设计图。
图9为本发明实施例1提供的柱坐标系T＝8us三分量波场快照图。
图9(a)R分量三维波场快照。
图9(b)θ分量三维波场快照。
图9(c)Z分量三维波场快照。
图10为本公开实施例1提供的不同观测系统的设计图。
图11为超声波检测中实际夹渣、砂孔缺陷图。
图12为本公开实施例1超声波数值模拟方面研究成果图。
图12(a)典型缺陷模型。
图12(b)三维波场快照。
图12(c)Z分量三维波场快照。
具体实施方式
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
本发明结合实际压力管道的柱状空腔形态以及存在空气充填的特点，以及超声检测中典型缺陷特征，建立分层、砂孔和夹渣缺陷三种具有代表性的理论模型；首先根据实际压力管道构建三维压力管道地球物理模型，即根据厂家数据，获得压力管道的基础数据，如压力管道的长度、厚度、半径、形状、弹性参数等；然后根据柱坐标系下三维弹性波动方程一阶速度-应力数学模型和有限差分格式实现交错网格有限差分模拟，接着进行压力管道下的吸收边界和双自由边界处理，实现压力管道超前探测中的超声波模拟。在此基础上，对超声检测观测系统设计并分析三维典型缺陷超声波响应机理分析，为实际压力管道超声波检测提供技术支持和理论基础。本发明研究方案如图1所示。
本发明公开一种基于柱坐标系压力管道超声波数值模拟系统，所述系统包括数据获取模块、初始参数设定模块、弹性波波动方程构建模块、边界条件构建模块、数值模拟模块。
数据获取模块，根据厂家数据，获取待模拟压力管道的基础数据，所述的基础数据包括管道长度、厚度、半径、形状、弹性参数；所述的基础数据存储于本发明系统中。
初始参数设定模块，根据获取的压力管道基础数据及缺陷特征设定初始参数，所述的初始参数包括网格大小即网格步长、采样频率、采样时长；采样时长依据需要多长时间的超声波信号以实际情况确定；所述的初始参数存储于本发明系统中，缺陷特征设定为砂孔、夹渣、分层。
弹性波波动方程构建模块，根据设定的初始参数，基于柱坐标系，采用设定的网格步长和时间步长，构建弹性波波动方程的有限差分网格剖分格式，构建的有限差分网格剖分格式如公式(1)至公式(9)；所述设定的时间步长应当满足公式(10)的要求，网格步长应当满足公式(11)的要求。
边界条件构建模块，所述的边界条件构建模块用于根据压力管道特点，基于柱坐标系，分别在三个方向对获得的波场进行不同边界处理。
三个方向进行不同边界处理包括：柱坐标系下压力管道轴向边界的处理、柱坐标系下压力管道径向边界的处理、柱坐标系下压力管道角度向边界的处理。
根据压力管道特殊的空心圆柱形结构的特点，压力管道内、外管壁存在两个与空气之间的物性突变面，在轴向和角度向采用分裂式的完美匹配层吸收边界SPML，对径向边界进行双自由边界处理；分裂式的完美匹配层吸收边界SPML详见参考文献：Collino F,Tsogka C.Application ofthe perfectly matched absorbing layer model to thelinear elastodynamic problem in anisotropic heterogeneous media[J].Geophysics,2001,66(1):294-307。双自由边界处理详见参考文献：徐义贤，夏江海，Richard D.Miller，Numerical investigation ofimplementation ofair-earthboundaryby acoustic-elastic boundary approach，Geophysics，200772(5):SM147-SM153。
数值模拟模块，根据获取的初始参数、震源加载以及得到的弹性波波动方程的有限差分网格剖分格式以及边界条件处理进行地震波场延拓，得到模拟波场和地震记录。
压力管道上不同的缺陷对应不同的波场特征，实际应用中，事先对不同缺陷对应的波场特征进行总结定义，通过本发明方法得到模拟波场后，通过获得的波场特征，可确定压力管道具有何种类型的缺陷。
数值模拟模块用于进行三维柱坐标超声波有限差分数值模拟，三维柱坐标超声波有限差分数值模拟方法，包括以下步骤：
步骤一：基于待模拟压力管道的基础数据，设定初始参数，得出柱坐标系下的各向同性介质中的一阶速度-应力方程的有限差分网格剖分格式。
基于待模拟压力管道的基础数据，所述的基础数据包括管道长度、厚度、半径、形状、弹性参数；根据获取的基础数据设定初始参数，所述的初始参数包括网格大小、采样频率、采样时长；根据设定的初始参数，依据直角坐标系下的运动微分方程、几何方程具体是Cauchy柯西方程、物理方程这三个方程推导出柱坐标系下的各向同性介质中的一阶速度-应力方程，所述的一阶速度-应力方程的有限差分网格剖分格式如公式(1)至公式(9)所示。
关于柱坐标交错网格有限差分模拟，如图2所示，得到的弹性波方程有限差分格式网格剖分格式，柱坐标系下交错网格剖分格式在节点分布上，σrr、σθθ、σzz三个正应力以及弹性参数λ、μ、ρ位于节点(i，j，k)上；三个剪切应力分量τrθ、τzθ、τzr分别位于半节点(i+1/2,j,k+1/2)、(i,j+1/2,k+1/2)、(i+1/2,j+1/2,k)上；三个速度分量vr、vθ、vz分别位于半节点(i+1/2,j,k)、(i,j+1/2,k)、(i,j,k+1/2)上。
表1柱坐标系下弹性波场分量和弹性参数
Figure SMS_3
Figure SMS_4
Figure SMS_5
式中，vr，vθ，vz是速度分量；σrr，σθθ，σzz是正应力分量；τrθ，τzθ，τzr则是剪应力分量；m为选取的第m个网格；N为网格总数；r为第m个网格的径向即R向坐标值。
步骤二：在有限差分网格剖分格式的基础上，在柱坐标系下鉴于角度向的网格步长不一致，对数值模拟的稳定性进行讨论，当公式(10)及公式(11)成立时，则数值模拟具备稳定性；
从方程(1)-(9)可知，柱坐标系下的差分形式包含径向R、轴向Z以及角度向θ，在柱坐标中轴向ΔZ与径向ΔR的网格步长一致，但角度向Δθ·R0的网格步长不一致，随着半径(R0+nΔR)(n＝0,1,2…NR-1)的增大，角度向网格步长Δθ·(R0+nΔR)(n＝0,1,2…NR-1)也逐渐变大，其中，NR为角度向网格数。
因此下一步再进行柱坐标下稳定性的讨论，根据图3所示柱坐标系下的单元格，为了保证计算的稳定性，在角度向方位上选取最小的网格步长去计算时间步长，关于最小的网格步长，计算机系统中，每个网格步长均有记录，取最小的网格步长计算时间步长，时间步长△t应当满足的公式(10)的要求：
Figure SMS_6
数值模拟的稳定性除了时间步长△t即时间采样率应当满足公式(10)的要求之外，空间采样率即网格步长亦应当符合要求；网格步长在角度向上选取最大的网格步长去计算是否符合要求，根据体波网格频散可以接受最大网格步长的经验公式如公式(11)所示，最大网格步长max(ΔR,Δθ·(R0+nΔR),ΔZ)应当满足公式(11)的要求。
Figure SMS_7
式中Vmin表示最小体波速度，fmax表示最大的子波频率，ΔR表示径向即R方向的网格步长，ΔZ表示轴向即Z向的网格步长，Δθ·(R0+nΔR)表示弧长即角度向网格步长，NR表示角度向的网格点数，R0为压力管道内径。
步骤三：根据设定的初始参数结合超声波高频特征，在保证计算效率的前提下，选取符合稳定条件的网格步长以及时间步长；
本发明中，稳定条件的网格步长是指最大网格步长满足公式(11)的要求；具体的网格步长即网格大小可根据实际情况依经验确定，网格步长满足公式(11)的要求即可；如网格步长过小则网格总数过多，会造成计算量过大导致计算效率低；实际应用中，如公式(11)所示，最大网格步长可取等于Vmin/10fmax值，此时网格步长为满足稳定条件的最大网格步长，可使网格总数较少，减少了计算量；本发明中的初始参数采样频率指震源加载频率亦即时间步长，时间步长符合稳定条件是指时间步长Δt满足公式(10)的要求即可。
步骤四：依据实际超声检测中的超声波探头选择合适的震源加载方式，本发明通过压电陶瓷超声波探头的发射极进行震源加载，在实际超声波检测中，如图4所示压电陶瓷超声波探头的发射极是一个圆柱状的面与面震源类似。面震源就是将单震源的力加载在一个面上，一共在5个点上加力，如图5所示的O1-O5。
步骤五：根据获取的初始参数、得到的弹性波波动方程的有限差分网格剖分格式、确定的震源加载方式、以及稳定性条件进行地震波场延拓，对产生的波场进行边界处理，得到模拟波场和超声检测记录；所述的稳定条件是指根据步骤三中确定的网格步长以及时间步长进行地震波场延拓，并且步骤三中确定的时间步长Δt满足公式(10)的要求，步骤三中确定的网格步长满足公式(11)的要求；所述的边界处理具体是波场轴向边界和径向边界采用分裂式的完美匹配层吸收边界SPML，径向边界进行自由边界处理。
本发明中，得到模拟波场的正演模拟结果即波场记录，通过观测系统成像，本发明基于柱坐标系压力管道三维典型缺陷超声波数值模拟观测系统包括震源及检波器。
关于本发明超声检测观测系统的设计，结合实际压力管道的柱状空腔形态以及存在空气充填的特点，以及超声检测中典型缺陷特征，建立分层、砂孔和夹渣缺陷三种具有代表性的理论模型；针对三种典型缺陷，研究实际超声检测中震源和检波器最优化的布置方式。
关于观测系统设计技术，为了充分利用压力管道外壁有限的观测空间，共设置了五个炮点位置，四炮分布四周中点和一炮位于中心点，检波器排列共设置了两种不同的排列，分别是延管壁和垂直管道布置。实验中主要讨论4种不同的排列发放时，如图10所示，利用上述观测系统，讨论和分析不同炮点以及不同检波器排列方式的波场响应特征，优化观测系统。
不同的震源和检波器布置方式均可获得压力管道的图像，观察计算机上显示的各个观测系统获得的压力管道的图像，以获得最完整、最清晰压力管道图像的观测系统为最优布置方式的观测系统，后续应用中，可直接使用所述最优布置方式的观测系统，所述最优观测系统可用于对压力管道进行三维成像。
获得模拟波场后，可获得缺陷位置的波场特征；裂纹、砂孔或减薄三种缺陷对应的波场特征不同；在研究不同缺陷的波场特征以及变化规律的基础上，考察管道三维空间正演模拟结果即波场记录与压力管道实物模型之间的相互验证关系，可通过反复的压力管道超声波数值模拟实验，分析总结管道三维典型缺陷的波场响应机理，对裂纹、砂孔或减薄三种缺陷对应的波场特征进行总结。
实验应用中，对压力管道进行超声波数值模拟，得到模拟波场后，不同的缺陷对应不同的波场特征，可根据获得的波场特征确定压力管道具备何种类型的缺陷。
对于典型缺陷超声波响应机理技术，针对分层缺陷，建立30°、60°和90°三组模型，对于夹渣，建立不同方向模型，总结不同方向夹渣的波场特征，对于气孔与砂孔，建立不同规模、不同充填物情况下的模型。通过研究模拟超声波记录的波形特征、速度特征、时域特征、频域特征和频散特征，为后续压力管道超声检测数据处理、资料解释等提供理论基础。针对上述三类缺陷模型的波场特征，分析其规律以及柱状空腔下的响应机理，揭示之间的因果关系，建立压力管道超声波检测方法的解释流程体系。
经过本发明的技术方案之后，能够对超声波检测中常见的不同缺陷砂孔、夹渣、分层等的结构在柱坐标系下实现压力管道超声波数值正演模拟。通过对不同缺陷模型砂孔、夹渣、分层等的波场特征分析，为超声波检测数据的处理和解释提供了理论依据。
如图11所示所示，在压力管道超声波无损检测中，常常会遇到一种夹渣缺陷，这是一种由于管道内部由于高温承压而出现裂缝之后被杂质混合夹渣其中造成的一种局部低速体模型。除了在使用过程中压力管道会出现缺陷，其在成钢过程中也可能存在缺陷。这类压力管道在冶炼过程中产生的氧化物和硅酸盐，如果在钢液凝固的时候没有浮出，就会与其他元素结合以化合物形式：氧化物(FeO，Fe2O3，MnO，Cu2O等)、硫化物(FeS，MnS和CaS等)以及氮化物(A1N，TiN，ZrN和VN等)从液相或固溶体中析出，最后留在钢中，形成小砂孔，此类夹渣物的颗粒较小，形态常为球形。
夹渣和砂孔充填物的不同，波场响应特征也会相应的不同，因此，为了能够认识三维波场在压力管道内的传播特性以及有效识别夹渣、砂孔缺陷的波场信息，建立了一个三维夹渣和砂孔缺陷组合模型如图12a则为组合缺陷模型三个平面的三维示意图。如图12b为R分量T＝12us的三维波场快照图。可以看到在三维情况下，对于夹渣缺陷的响应，在图中很明显的看到产生了反射波和绕射波，而对于砂孔缺陷，同样也产生了比较明显的绕射波。而图12c为超声波模拟的记录，来自夹渣缺陷端点的绕射波纵波Pap1的到时为13.51us，来自砂孔的绕射波Php走时为15.41us，走时均与模拟记录吻合，从而从运动学方面验证该发明的正确性。
综上所述，本发明针对在压力管道超声波场模拟过程中，直角坐标难以准确刻画管道圆柱形空间，以及压力管道实际超声波检测成像精度较低的问题，将柱坐标系下超声波模拟应用到压力管道检测中，提供一种压力管道三维典型缺陷的超声波模拟的方法，提高了对压力管道典型缺陷超声检测的准确性，同时通过优化观测系统设计，为实际超声波检测工作提供技术和理论基础，建立压力管道超声波检测方法的解释流程系统。由应用效果也可以看出，根据本发明提高分辨率效果明显、算法稳定。
关于本发明所涉及的对压力管道边界条件进行处理，模拟超声波在压力管道中的传播时，只能在尺寸有限的模型上求解，而在数值模拟时，数值空间中会存在一些物理空间中并不存在的边界，所以在超声波模拟中需要利用边界条件来减少来自计算区域边界的反射能量。为获得更接近压力管道实际超声检测情形的波场，在模型外边界需要一个吸收边界，根据压力管道结构特点，在轴向和角度向采用分裂式的完美匹配层吸收边界SPML；另外由于压力管道的特殊的空心圆柱形结构，内、外管壁存在两个与空气之间的物性突变面，需要进行双自由边界处理，根据压力管道特殊的空心圆柱形结构，内、外管壁存在两个与空气之间的物性突变面，对径向边界进行双自由边界处理。如图6所示为三维柱坐标系下压力管道边界处理示意图。
Figure SMS_8
Figure SMS_9
Figure SMS_10
式中ωr、ωz和Ωr分别为径向r、轴向z和角度向θ方向的衰减因子，R'为理论反射系数，vp为纵波速度，δ为吸收层厚度。经过SPML处理技术之后的波场快照如图7所示。
由图7a、7b中可以看到当震源激发后，T＝8us、T＝10us时，波场中出现了纵波P和横波S，纵波P还未传播到边界。随着波场向进一步的传播，在T＝12us、T＝14us、T＝16us时波场值能量减弱，为了分析其吸收情况，同样将增益放大100倍。如图7c所示，在T＝12us时，此时纵波P传播到经过SPML区域的内界，可以有效地吸收掉到达波场θ方向边界的波场值，无明显人为反射的产生，而在Z方向上刚好达到内界。随着波场的进一步传播，如图7d所示，在T＝14us时，纵波P到达了SPML区域θ方向的外边界，此时未出现边界反射信号，而在Z方向上P波刚到达其内界同样可以吸收掉波场值。但当T＝16us时，如图7e所示，在θ和Z方向的边界上看不到来自边界的明显反射信号，说明传播到边界的波场值被很好地吸收，充分说明了这项技术的有效性。
Figure SMS_11
式中：ρ0和μ0表示自由边界以下弹性介质的密度和拉梅常数。参考直角坐标系下的自由界面情况，柱坐标系下的自由界面处理如图7所示，柱坐标系下交错网格需要讨论六个面，十二条交线和八个角点，一共26种不同情况，实现方案分别是：
6个面，如图8中所显示的①号面对应下式(1)号面，后面以此类推：
(1)μθ＝μ1；μz＝μ1；ρr＝0.5ρ1；τrz＝0；τrθ＝0。
(2)λ＝0；μz＝μ1；ρz＝0.5ρ1；ρθ＝0.5ρ1；σrr＝0。
(3)μθ＝μ1；μz＝μ1；ρθ＝0.5ρ1；τθz＝0；τrθ＝0。
(4)λ＝0；μz＝μ1；ρz＝0.5ρ1；ρr＝0.5ρ1；σθθ＝0。
(5)μz＝μ1；μθ＝μ1；ρz＝0.5ρ1；τrz＝0；τθz＝0。
(6)λ＝0；μθ＝μ1；ρθ＝0.5ρ1；ρr＝0.5ρ1；σzz＝0。
12条交线，如图8中所显示的方框1号交线对应下式(1)号交线，后面以此类推：
(1)μθ＝μ1；τrθ＝0。
(2)μz＝μ1；ρr＝0.5ρ1；τrz＝0。
(3)μz＝μ1；τrz＝0。
(4)μθ＝μ1；ρr＝0.5ρ1；τrθ＝0。
(5)μz＝μ1；ρθ＝0.5ρ1；τθz＝0。
(6)λ＝0；ρz＝0.5ρ1；σrr＝0；σθθ＝0。
(7)μz＝μ1；ρz＝0.5ρ1；τθz＝0。
(8)λ＝0；ρz＝0.5ρ1；σrr＝0；σzz＝0。
(9)μθ＝μ1；ρθ＝0.5ρ1。
(10)μθ＝μ1；ρθ＝0.5ρ1；τrθ＝0。
(11)μz＝μ1；ρz＝0.5ρ1；τrz＝0。
(12)λ＝0；ρr＝0.5ρ1；σθθ＝0；σzz＝0。
8个角点如图8中所显示的实心1号角点对应下式(1)号角点，后面以此类推：
(1)μz＝μ1；τθz＝0。
(2)μz＝μ1；τrz＝0。
(3)ρr＝0.5ρ1。
(4)μθ＝μ1；τrθ＝0。
(5)ρθ＝0.5ρ1。
(6)ρz＝0.5ρ1。
(7)λ＝0；σrr＝0；σθθ＝0；σzz＝0。
(8)不处理。
经过自由边界技术处理之后所得到的三维波场快照如图9所示，从图9中可以清晰的看到在模型的表层出现了强能量的面波，面波沿着表面向四周传播，因而证明了柱坐标系下自由界面处理的正确性。
最后应说明的是：本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于柱坐标系压力管道超声波数值模拟系统，其特征在于：所述系统包括，
数据获取模块，获取待模拟压力管道的基础数据；
初始参数设定模块，根据获取的压力管道基础数据及缺陷特征设定初始参数；
弹性波波动方程构建模块，根据设定的初始参数，基于柱坐标系，采用设定的网格步长和时间步长，构建弹性波波动方程的有限差分网格剖分格式；
边界条件构建模块，基于柱坐标系，分别在三个方向对获得的波场进行不同边界处理；
数值模拟模块，根据获取的初始参数、震源加载以及得到的弹性波波动方程的有限差分网格剖分格式以及边界条件处理进行地震波场延拓，得到模拟波场和地震记录。
2.如权利要求1所述的基于柱坐标系压力管道超声波数值模拟系统，其特征在于：所述的不同边界处理包括柱坐标系下压力管道轴向边界处理，柱坐标系下压力管道径向边界处理，以及柱坐标系下压力管道角度向边界处理。
3.如权利要求2所述的基于柱坐标系压力管道超声波数值模拟系统，其特征在于：所述的轴向边界和径向边界处理采用分裂式的完美匹配层吸收边界SPML；所述的径向边界进行自由边界处理。
4.如权利要求1所述的基于柱坐标系压力管道超声波数值模拟系统，其特征在于：所述的数值模拟是进行三维柱坐标超声波有限差分数值模拟。
5.如权利要求4所述的基于柱坐标系压力管道超声波数值模拟系统，其特征在于：所述的三维柱坐标超声波有限差分数值模拟方法包括以下步骤：
步骤一：基于待模拟压力管道的基础数据，设定初始参数，得出柱坐标系下的各向同性介质中的一阶速度-应力方程的有限差分网格剖分格式；
步骤二：在有限差分网格剖分格式的基础上，对数值模拟的稳定性进行讨论；
步骤三：根据设定的初始参数结合超声波高频特征，选取符合稳定条件的网格步长以及时间步长；
步骤四：依据实际超声检测中的超声波探头确定震源加载方式；
步骤五：根据获取的初始参数、得到的弹性波波动方程的有限差分网格剖分格式、确定的震源加载方式及稳定条件进行地震波场延拓，对波场进行边界条件处理，获得模拟波场和超声检测记录。
6.如权利要求5所述的基于柱坐标系压力管道超声波数值模拟系统，其特征在于：所述的步骤二中稳定性讨论方法是时间步长Δt及最大网格步长max(ΔR,Δθ·(R0+nΔR),ΔZ)满足以下公式要求：
Figure FDA0004061331150000021
Figure FDA0004061331150000022
式中ΔR表示径向即R方向的网格步长，ΔZ表示轴向即Z向的网格步长，Δθ·(R0+nΔR)表示弧长即角度向网格步长，Vmin表示最小体波速度，fmax表示最大的子波频率，NR表示角度向的网格点数，R0为压力管道内径；
时间步长Δt及最大网格步长max(ΔR,Δθ·(R0+nΔR),ΔZ)满足公式要求则数值模拟具备稳定性，时间步长以及网格步长符合稳定条件。
7.如权利要求1所述的基于柱坐标系压力管道超声波数值模拟系统，其特征在于：所述的待模拟压力管道的基础数据包括管道长度、厚度、半径、形状、弹性参数；所述初始参数包括网格步长、采样频率、采样时长；采样时长依据需要多长时间的超声波信号以实际情况确定。
8.如权利要求5所述的基于柱坐标系压力管道超声波数值模拟系统，其特征在于：所述的震源加载方式是根据实际超声的超声波探头的发射极，选择接近超声波的主频，震源加载时将单震源的力加载在一个面上，共在五个点上加力。
CN202310061782.9A 2023-01-16 2023-01-16 一种基于柱坐标系压力管道超声波数值模拟系统 Pending CN116341305A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310061782.9A CN116341305A (zh) 2023-01-16 2023-01-16 一种基于柱坐标系压力管道超声波数值模拟系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310061782.9A CN116341305A (zh) 2023-01-16 2023-01-16 一种基于柱坐标系压力管道超声波数值模拟系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116341305A true CN116341305A (zh) 2023-06-27

Family

ID=86890508

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310061782.9A Pending CN116341305A (zh) 2023-01-16 2023-01-16 一种基于柱坐标系压力管道超声波数值模拟系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116341305A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117494393A (zh) * 2023-10-16 2024-02-02 南京市锅炉压力容器检验研究院 一种超声波在聚乙烯管道热熔接头内传播的数值模拟方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112230277A (zh) * 2020-09-30 2021-01-15 山东大学 基于柱坐标系的隧道地震波传播数值模拟方法及系统

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112230277A (zh) * 2020-09-30 2021-01-15 山东大学 基于柱坐标系的隧道地震波传播数值模拟方法及系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
彭代诚: "基于柱坐标的承压特种设备超声波模拟与逆时偏移成像及应用研究", 中国博士学位论文全文数据库 工程科技I辑, no. 6, 15 June 2022 (2022-06-15), pages 022 - 2 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117494393A (zh) * 2023-10-16 2024-02-02 南京市锅炉压力容器检验研究院 一种超声波在聚乙烯管道热熔接头内传播的数值模拟方法
CN117494393B (zh) * 2023-10-16 2024-05-17 南京市锅炉压力容器检验研究院 一种超声波在聚乙烯管道热熔接头内传播的数值模拟方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Baskaran et al. Shear-wave time of flight diffraction (S-TOFD) technique
Dong et al. Acoustic emission source location method and experimental verification for structures containing unknown empty areas
Yuan et al. Phased array guided wave propagation in curved plates
CN111239256B (zh) 适用于三维结构的声发射源定位方法
Zhou et al. Locating an acoustic emission source in multilayered media based on the refraction path method
CN116341305A (zh) 一种基于柱坐标系压力管道超声波数值模拟系统
Rose Successes and challenges in ultrasonic guided waves for NDT and SHM
CN111982695B (zh) 一种煤岩介质状态转变程度评价装置及使用方法
You et al. 3D spectral element solution of multilayered half-space medium with harmonic moving load: effect of layer, interlayer, and loading properties on dynamic response of medium
CN113376684A (zh) 一种研究注水诱发地震断层破裂过程实验方法
CN112345643A (zh) 一种适用于球形容器表面的声发射源定位方法
Hu et al. Tomographic reconstruction of damage images in hollow cylinders using Lamb waves
He et al. Quantitative study on magnetic-based stress detection and risk evaluation for girth welds with unequal wall thickness of high-grade steel pipelines
Li et al. Ultrasonic SH guided wave detection of the defects of switch rails with 3D finite element method
CN103604869A (zh) 基于数值反演的无损检测模拟试块缺陷参数的识别方法
Zhang et al. Multimode guided waves–based structural defect localization longitudinally and cross-sectionally in T-bars
Peng et al. Three-Dimensional Ultrasonic Reverse-Time Migration Imaging of Submarine Pipeline Nondestructive Testing in Cylindrical Coordinates
Meng et al. Quantitative detection and evaluation of Rayleigh ultrasonic wave for fatigue crack on turbine blade surface
Singh et al. Interaction of fundamental Lamb modes with a point impact damaged zone in composite plates
Xiao Ultrasonic nondestructive evaluation using non-contact air-coupled Lamb waves
Rose et al. ATHENA 3D: A finite element code for ultrasonic wave propagation
Yang et al. Simulation study on the acoustic field from linear phased array ultrasonic transducer for engine cylinder testing
Tang et al. FEM model-based investigation of ultrasonic TOFD for notch inspection
CN115685073A (zh) 一种浮动式核电站安全壳声发射源定位方法
Haipeng et al. Ultrasonic Signal Simulation for Thick-Walled Welds Based on Ray-Tracing Algorithm and Ultrasonic Field Calculation

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination