管道超声轴对称导波传播特性的谱方法研究

【摘要】本论文结合国家高技术研究发展计划(863)课题“超临界、超超临界大型汽轮发电机组状态监测与故障诊断技术及其系统研究”(编号：2008AA04Z410)和国家自然科学基金项目“多相流态输运管道振动信号的动态监测与故障预警”(编号：11072213),针对管道超声导波传播特性求解复杂困难,影响对导波传播及与损伤作用机理的了解,进而阻碍管道超声导波无损检测应用与发展的问题,开展了管道超声轴对称导波传播特性求解分析方法研究。论文的主要研究工作及章节包括：第一章分析了管道超声导波无损检测的重要意义以及管道超声导波传播特性求解及检测参数优化对成功开展超声导波无损检测的作用。综述了国内外管道超声导波传播特性理论与实验的研究现状,并从管道超声导波传播特性建模、传播特性求解、传播特性分析、传播特性实验等方面,梳理归纳出当前管道超声导波传播特性研究存在的不足,从而提出本文的研究内容及总体框架。第二章基于弹性动力学理论、体波叠加原理及全局矩阵方法,推导并建立了管道超声轴对称导波传播方程,提出了一种结合外推预测和双尺度迭代逼近的改进寻根法。构建了一种基于导波轴向功率流密度拓展的截面功率流模型,帮助改善导波传播强弱的评价效果。分析导波传播特性的基础上,开展了管道超声轴对称导波检测参数的优化研究,从而帮助减少频散及多模式特性给导波无损检测带来的不利影响,数值算例结果表明了理论分析方法的有效性。第三章研究了一种基于谱方法快速求解管道超声轴对称导波传播特性的方法,开展了导波传播模型的温度影响分析,并设计开发了考虑温度影响的导波传播特性谱方法的参数化分析软件。随后,借助谱方法及改进寻根法开展了常温及高温两种工况环境下对应的传播特性数值算例研究,将传统二维波形结构特性提升至更加直观的三维波形结构特性,特性分析结果验证了谱方法求解传播特性的效率优势,另外还帮助优化考虑温度影响的管道超声导波检测参数。第四章提出了一种能兼顾求解精度和效率的管道超声轴对称导波传播特性的谱-寻根分析方法,帮助快速准确地求解及分析导波传播特性。分析了界面状态变化对导波传播模型的影响,设计了考虑界面影响的导波传播特性谱-寻根参数化分析软件,从而拓展了分析方法的适用范围并改善了分析方法的易用性。借此开展完好以及弱界面两种情况管道导波传播特性的算例研究,分别与改进寻根法和谱方法获取的传播特性对比分析,验证了谱-寻根分析方法的有效性,并获得了界面状态变化对传播特性以及对检测参数的影响规律。第五章分析了管道超声轴对称导波传播与检测实验系统的基本需求,设计了实验系统的总体架构,开展了管道超声轴对称导波传播与检测实验系统关键技术研究,研制了压电接收探头、磁致伸缩激励探头、高压宽带功率放大器,开展了各功能单元的性能测试与优化。最后构建了管道纵向导波传播特性以及损伤检测实验平台,开展了纵向导波传播与损伤检测实验研究,实验数据分析结果表明本文理论分析方法以及实验系统是有效的。第六章给出了本文研究的主要结论,并对今后研究工作提出了展望。
【作者】于保华；
【导师】杨世锡；甘春标；
【作者基本信息】浙江大学，机械制造及其自动化，2014，博士
【关键词】轴对称导波；传播特性；频散特性；波形结构特性；寻根方法；谱方法；

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