基于超声导波的弯曲模态反射信号分离的计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种管状波导中传播的超声导波与缺陷作用机理定量分析的计算方 法，尤指利用轴对称模态和弯曲模态的波结构特征，分离对称和弯曲模态波包，提取弯曲模 态微弱信号，利用希尔伯特黄包络求出各模态反射系数，由此综合利用轴对称模态和弯曲 模态的反射系数来评价缺陷位置分布
【背景技术】
[0002] 厚壁管指的是外径和壁厚之比小于20的管状钢结构。厚壁管在石油、化工和火 力发电等领域应用广泛，由于管道工作在高温高压环境中且管内外壁易接触腐蚀性介质， 在使用过程中易发生多种形式失效而导致泄漏事故，造成严重环境污染事故和重大经济损 失。因此，找到一种适用于厚壁管道的可靠、高效、低成本缺陷检测技术，及时发现厚壁管道 中微小缺陷，避免或减少相关事故发生显得十分重要。超声导波具有一处激发长距离检测 的特点，在板、铁轨、管道和其它工业结构检测中得到广泛应用，此外超声导波检测技术高 效快速的优点使其检测成本较传统超声无损检测方法要低很多，因此超声导波检测技术作 为一种新型无损检测方法受到国内外诸多学者的关注与研宄。
[0003] 超声导波在管中传播时会与缺陷发生相互作用，不仅产生反射、透射等散射现象， 还会产生模态转换现象。这也是超声导波用于缺陷检测的机理。但目前超声导波检测技术 往往只考虑反射和透射的非弯曲模态导波，对于利用模态转换产生的弯曲模态很少关注， 而弯曲模态信号包含丰富的缺陷信息因而分离对称模态与弯曲模态信号对促进超声导波 检测技术有着重要意义。超声导波与管中非对称缺陷作用会产生弯曲模态，所产生弯曲模 态会因缺陷的尺寸特征变化而变化，因而，研宄一种分离弯曲模态的计算方法，提取反射对 称模态和反射弯曲模态的信号，对于超声导波定量检测就显得尤为重要。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于，通过提供一种分离对称模态与弯曲模态波包并提取弯曲模态 微弱信号的计算方法，利用有限元方法定量分析缺陷尺寸特征、位置分布、缺陷个数以及中 心激励频率等检测参数对从缺陷处经模态转换从产生的弯曲模态反射回波幅值的影响程 度，得到纵向弯曲导波反射系数随检测参数的变化关系曲线，进而利用轴对称模态和弯曲 模态反射系数综合评定缺陷的深度和位置。
[0005] 该方法利用有限元软件ABAQUS python对带有缺陷的管道模型进行参数化编程， 并自动提取有限元仿真时域波形，然后在频域上对所采集信号进行相位延迟并叠加，进而 分离反射信号中的弯曲模态波包。本发明方法包括以下步骤：
[0006] I. 1.建立长度为L的管道三维实体模型，在距管道模型端部L1处设置沿管道周向 Dlhiri, 180 分布的孔形缺陷，孔形缺陷的缺陷中心夹角供，且---，单位：度，其中，DdefeetS tImer 冗 孔缺陷的直径，rin_为管道的内径；在距管道模型端部L 2处沿管道周向设置N个等间距的 节点作为信号接收点，N> = 8,用于提取从缺陷处产生的超声导波反射信号；在管道模型另 一端沿管道周向设置N个等间距的节点作为信号激励节点，N> = 8, L> = 31^0 = 3/2L2; 对模型进行有限元离散化，要求网格单元尺寸不低于欲求最高频率对应波长的1/10 ;
[0007] 1. 2.提取有限元计算结果，将从N个信号接收点中采集到的<(〇和<(〇按照 公式〇) = <'(〇cos(r/")-w「⑴sin(V)进行处理，得到N个信号接收点的周向瞬态位移 义⑴= <(0，m = 1，2, 3,…N，其中<(〇为局部坐标系下第m个信号接收点的周向位移， <(〇为全局坐标系下第m个信号接收点的X方向输出位移，<(0为全局坐标系下第m个 信号接收点的y方向输出位移，α -为第m个信号接收点与参考点的周向夹角，其中所述的 参考点为缺陷中心在母线上所处位置，此时am= 〇 ;
[0008] 1. 3.将步骤1. 2中得到的N个信号接收点的周向瞬态位移Xm (t)进行快速傅里叶 变换，然后在频域上按照下式进行相位延迟并叠加，得到频域信号，
【主权项】
1.基于超声导波的弯曲模态反射信号分离的计算方法，其特征在于包含以下步骤： I. 1.建立长度为L的管道三维实体模型，在距管道模型端部1^处设置沿管道周向分布 Dihlnl 180 的孔形缺陷，孔形缺陷的缺陷中心夹角供，且---，单位：度，其中，Ddefeet为孔缺 } mner π 陷的直径，rin_为管道的内径；在距管道模型端部L 2处沿管道周向设置N个等间距的节点 作为信号接收点，N> = 8,用于提取从缺陷处产生的超声导波反射信号；在管道模型另一端 沿管道周向设置N个等间距的节点作为信号激励节点，N> = 8，L> = 3Li，L> = 3/2L2;对模 型进行有限元离散化，要求网格单元尺寸不低于欲求最高频率对应波长的1/10 ; 1.2.提取有限元计算结果，将从N个信号接收点中采集到的<(〇和<(0按照公 式i/；；(0 = <⑴cosWi/「(Osin(α''")进行处理，得到N个信号接收点的周向瞬态位移 总⑴m= 1，2,3,…Ν，其中<(0为局部坐标系下第m个信号接收点的周向位移， <(0为全局坐标系下第m个信号接收点的X方向输出位移，<(0为全局坐标系下第m个 信号接收点的y方向输出位移，α -为第m个信号接收点与参考点的周向夹角，其中所述的 参考点为缺陷中心在母线上所处位置，此时am= 〇 ; 1. 3.将步骤1. 2中得到的N个信号接收点的周向瞬态位移Xm (t)进行快速傅里叶变 换，然后在频域上按照下式进行相位延迟并叠加，得到频域信号，具体如下：
a -为第m个信号接收点与参考点的周向夹角，其中所述的参考点为缺陷中心在母线上 所处位置，此时am= 0 ;m= 1，2, 3,…Ν，Φ (FFT [Xm⑴]为Xm⑴的相位，N为信号接收点 个数；η为超声导波模态的阶数，对于轴对称T (0, 1)模态或L (0, 2)模态，η = 0,对于非轴 对称弯曲F(l，2)模态和F(l，3)模态，η = 1，对于非轴对称弯曲F(2, 2)模态，η = 2 ;j为 虚数； 1. 4.将步骤1. 3中的频域信号Bn(f)进行快速傅里叶逆变换，得到分离波包后的轴对 称模态和弯曲模态的重构时域信号An(t):
η为超声导波模态的阶数，当η = 0, An(t)为轴对称模态的重构时域信号；当n> = 1， An(t)为弯曲模态的重构时域信号； 1.5.利用希尔伯特黄变换对步骤1.4中的重构时域信号An(t)进行包络线绘制，提取 入射轴对称导波信号的包络极大值、轴对称模态导波反射信号的包络极大值和弯曲模态导 波反射信号的包络极大值； 1. 6.将步骤1. 5得到的结果，按照反射系数公式，=处理，计算得到轴对称 Am"cuie,U 导波与缺陷作用时产生的轴对称导波反射系数和弯曲模态反射系数，当η = 0时，其中，Rn 为轴对称导波反射系数；当n> = 1时，其中，RnS弯曲模态反射系数；为入射轴对 称导波信号的包络极大值，当n = O时，为轴对称模态导波反射信号的包络极大 值，当n> = 1时，为弯曲模态导波反射信号的包络极大值； 1. 7.改变缺陷尺寸，获取不同尺寸缺陷的轴对称导波反射系数和弯曲模态反射系数； 对于双缺陷，改变缺陷相对位置，获取缺陷的轴对称导波反射系数和弯曲模态反射系数；改 变中心激励频率，获取不同中心激励频率下的轴对称导波反射系数和弯曲模态反射系数； 将上述反射系数分别绘制成曲线，根据曲线获得轴对称导波反射系数和弯曲模态反射系 数，用于评价管道中的缺陷当量尺寸和判断缺陷所处位置。
【专利摘要】本发明公开了一种分离对称和弯曲模态波包并提取弯曲模态微弱信号的计算方法，本发明基于轴对称模态和弯曲模态的波结构特征理论，利用有限元软件建立相关模型，提取导波监测面上的信号采集结点的瞬态位移信号，将所采集信号按照相关公式在频域上进行延迟并叠加；接着对叠加后的频域信号进行逆傅里叶变换，得到分离后的各阶导波模态波包，利用希尔伯特黄包络求出各模态反射系数。利用有限元软件的二次开发功能编写二次开发程序，定量分析缺陷尺寸特征、位置分布、缺陷个数以及中心激励频率等检测参数对从缺陷处经模态转换从产生的弯曲模态反射回波幅值的影响程度，由此综合利用轴对称模态和弯曲模态的反射系数来评价缺陷位置分布。
【IPC分类】G01N29-44
【公开号】CN104833729
【申请号】CN201510223498
【发明人】郑明方, 何存富, 吴斌, 吕炎, 丁俊才
【申请人】北京工业大学
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年5月5日