焊縫特征導波傳播特性的數(shù)值模擬和實驗研究.pdf

1、焊縫作為特種設備和深海平臺內(nèi)部的重要連接結構，長期處于高壓、強腐蝕、大載荷的工作狀態(tài)，其結構安全影響了工業(yè)生產(chǎn)的效率和安全。傳統(tǒng)的焊縫無損檢測方法效率不高，不適用于大規(guī)模且不規(guī)則的焊縫結構。
　　超聲導波檢測技術的原理是聲波在波導邊界經(jīng)過多次折射和反射相互耦合并沿著邊界向前傳播，因此具有傳播距離長而衰減小的優(yōu)點，在無損檢測領域中有廣泛的應用前景。焊縫結構作為一種特殊的波導，其結構及材料不同時特征導波傳播特性也有所改變，對此，建立導

2、波在焊縫中的傳播數(shù)學模型，通過觀察其位移場分布、頻散特性、衰減特性等，研究不同材料和不同結構焊縫中振動集中、泄漏少、頻散小的焊縫特征導波模態(tài)和頻率段，顯得至關重要。本文將圍繞焊縫特征導波的理論基礎、數(shù)值模擬、實驗系統(tǒng)、群速度檢測及衰減檢測設計等展開研究，主要研究內(nèi)容如下：
　　1）研究了超聲導波基本特性，根據(jù)Snell定律推導了形成焊縫特征導波的物理模型；結合半解析有限元法和固體中聲波運動方程，建立標準對接焊縫的有限元模型，在焊板

3、兩側引入吸收區(qū)域，獲得了每種導波模態(tài)在結構中的能量流分布。通過分析特征導波的振動形態(tài)發(fā)現(xiàn)兩種基態(tài)模態(tài)，并命名為SHW0和SW0模態(tài)，從頻散和衰減特性等方面，探討了這兩種導波模態(tài)的應用價值。
　　2）建立了不同對接焊板參數(shù)包括不同材料和不同結構下的半解析有限元模型，研究50KHz-400KHz頻率下SHW0和SW0模態(tài)在不同焊縫結構下的位移、頻散和衰減特性。研究發(fā)現(xiàn)當焊縫結構特征加強如焊縫余高和寬度增大時，導波主位移更為集中在焊縫及

4、其周圍。并且SHW0模態(tài)衰減小、頻散小，傳播特性基本穩(wěn)定，只有當焊板厚度和材料變化時相速度才改變；SW0模態(tài)的相速度和衰減特性受結構影響較大。
　　3）建立了焊縫特征導波激勵接收實驗系統(tǒng)，研究了SHW0和SW0模態(tài)激勵接收方式，實驗證明其沿著焊縫傳播，且群速度和相同頻厚積下的SH0和S0模態(tài)群速度接近。設計了檢測模態(tài)群速度和衰減的實驗，求得三塊不同對接焊板中群速度與衰減率，檢查結果與數(shù)值模擬結果一致性好。在三條焊縫中預制了縱向裂紋