Page 80 - 无损检测2021年第四期

赵华民, 等:

厚壁管道轴向裂纹对 C-SH 0 模态反射特性的影响

波场进行, 同时考虑到传感器直径一般不大于 20

mm , 所以每 2 个接收点的距离设为 2mm 。
仿真中激励周向导波时, 不仅产生沿管道周向
传播的导波, 而且产生沿管道轴向传播的导波, 所以
管道长度应至少为 900 mm , 以将沿管道轴向传播

的信号与沿管道周向传播的信号分开。因此, 设置

管道长度为 1000mm 。
图 4 为图 3 中沿表面 A 的截面。图 4 中, d 为
为管壁厚度。管道实际使用中, 裂纹
裂纹深度, t a
可能从外表面向内延伸, 也可能沿管径向膨胀。因
此, 需要建立内外表面轴向裂纹模型以研究不同模
态导波与裂纹的相互作用。

图 4 管壁内外缺陷示意

3 仿真结果与讨论

图 2 不同频率下 C-SH 0 模态波结构 3.1 模态确认
模式,
为了证明点激励可以得到单一的 C-SH 0
在进行时域分析之前, 首先对无缺陷管道进行了周
向波导模拟。周向导波的传播云图和时域波形如

图 5 所示。入射波的中心频率为 80kHz 。
通过 计 算 得 到 的 时 域 波 中 直 达 波 波 速 为

-1 模 态 群 速 度
3219m · s , 与 理 论 计 算 C-SH 0

-1
3241m · s 一致。除了验证波速, 还绘制了 C-SH 0
模态在无缺陷管道中传播的位移波结构图, 并与由
频散方程得到的波结构图进行了比较。提取沿管壁

图 3 外径为 141.3mm , 壁厚为 12.5mm 厚壁管的 径向分布的 21 个等间距点上的信号, 将直达波的振
有限元模型 幅归一化并取最大值, 根据点的径向位置绘制位移
点加载 5 周 期 汉 宁 窗 调 制 脉 冲 信 号, 激 励 信 号 中 波结构图。仿真结果与频散方程计算结果基本一

心频率为 55kHz~110kHz 。 激励信号采用多周 模态。

致, 证明直达波为 C-SH 0
期脉冲, 有利于获得单一模态的导波信号, 但过多的 3.2 反射系数

周期会导致信号时域过宽和波包重叠, 因此采用 5 图6 为80kHz时的周向导波时域信号包络图。
周期汉宁窗调制信号点激励产生周向导波。激励源 为50% 时的信号为
由图6 可知, l=60mm 时, d / t a
和缺陷中心都位于管道的轴线上, 其中心的夹角为 C-SH 0 模态, 轴向裂纹反射波包位于入射波信号和
90° 。另外, 在激励源的两侧各设置 5 个反射信号接 直达波信号之间, 且清晰可见。
收点。基于试验模拟, 点的位置应具有最强的反射 定义反射系数为特定模态下主反射信号的位移
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2021 年 第 43 卷 第 4 期

无损检测