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导波技术在水利工程管道损伤检测中的应用研究

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摘要

1 引言

1.1 课题研究的背景

1.2 国内外研究进展和发展趋势

1.2.1 国外的研究现状

1.2.2 国内的研究现状

1.3 论文的主要工作

2 管道中应力波的传播理论

2.1 导波理论的基本概念

2.1.1 导波的定义

2.1.2 群速度和相速度概念

2.1.3 管道中波的传播

2.1.4 导波的多模态性

2.1.5 导波的频散特性及频散曲线

2.1.6 导波检测的原理

2.2 本章小结

3 Ansys模拟与试验验证

3.1 试验分析

3.2 Ansys数值模拟

3.3 本章小结

4 不同损伤工况管道的损伤检测研究

4.1 空心管道中导波的传播路径分析

4.1.1 无损伤空心管道中导波的传播路径分析

4.1.2 单损伤空心管道中导波的传播路径分析

4.2 损伤工况1管道的损伤检测分析

4.2.1 损伤工况1-1的检测与定位

4.2.2 损伤工况1-2的检测与定位

4.2.3 损伤工况1-3的检测与定位

4.3 损伤工况2管道的损伤检测分析

4.3.1 损伤工况2-1损伤检测与定位

4.3.2 损伤工况2-2损伤检测与定位

4.3.3 损伤工况2-3损伤检测与定位

4.4 损伤工况3管道的损伤检测分析

4.4.1 损伤工况3-1损伤检测与定位

4.4.2 损伤工况3-2损伤检测与定位

4.4.3 损伤工况3-3损伤检测与定位

4.5 损伤工况4管道的损伤检测分析

4.5.1 损伤工况4-1损伤检测与定位

4.5.2 损伤工况4-2损伤检测与定位

4.5.3 损伤工况4-3损伤检测与定位

4.6 损伤工况5管道的损伤检测分析

4.6.1 损伤工况5-1损伤检测与定位

4.6.2 损伤工况5-2损伤检测与定位

4.7 本章小结

5 结论与展望

5.1 研究结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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摘要

管道是水工建筑物中重要的组成部分,在农业灌溉、水利工程上应用广泛。管道的工作环境大多数相对恶劣,在管道的工作过程中很容易发生腐蚀、老化等现象,造成管道的泄漏及资源的严重浪费。因此,对充水管道的损伤检测和损伤定位便具有重要的理论意义和实际应用价值。一些常规的管道检测方法需要对管道进行逐点检测,速度慢、检测效率低、费用高、抗干扰能力和精确度均较低,因此对于一些微小、隐蔽的损伤极易造成判断错误。而导波检测技术具有检测效率高、检测距离远、检测速度快、检测范围广等优势,在管道无损检测方面得到了广泛应用。由于低频导波无频散,且群速度较高,不易受其他模态信号的干扰,更适合长距离管道中多类型缺陷的检测,因此本文主要研究应用低频导波对长距离管道的损伤进行检测并对不同工况进行了对比分析,为实现长距离管道的损伤检测奠定基础。
   为了验证低频导波对管道进行检测的可行性,本文应用Matlab软件求解频散方程,计算得到频散曲线,并对其频散特性进行分析。研究表明在0~20KHz的低频段,L(0,1)模态的群速度最快,且在0~10KHz频段内,其群速度基本保持不变,其相速度也基本不变,从而证明低频导波适于对管道进行长距离的损伤检测。
   为了验证Ansys数值模拟的方法的可靠性,本文分别从无损伤管道和单缺陷损伤管道两种工况对管道进行Ansys数值模拟,并与相同尺寸、相同损伤状况的管道在实验室中的试验结果进行了对比分析,结果表明Ansys模拟计算得到的波速、波形及对缺陷位置的判断与实验室的实验结果相一致,与实际情况相符合,从而验证了Ansys数值模拟方法的可行性,得到的数据准确,结论可靠。
   为了研究低频导波对管道轴向缺陷、周向缺陷、径向缺陷及双缺陷的检测效果,本文应用Ansys软件,采用对管道端面12个节点对称施加瞬时激振力的方式进行数值模拟,初步探讨了这种激励方式所激发出的几种基本模态并分析了这种检测方法对管道缺陷的敏感程度及检测效果。研究结果表明,L(0,1)模态导波对周向和径向缺陷及双缺陷均具有很好的识别效果,但对轴向缺陷不敏感。
   最后分析了现有工作的不足之处,指出导波检测的局限性及今后进一步的研究方向。

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