1 引言
1.1 课题研究的背景
管道是水工建筑物重要的组成部分，无论是电站的压力管道还是引水管道在水利工程中都是不可或缺的，在水利工程中需用的数量多，占投资比重大，在农业灌溉、水利发电、城镇供水及排水、防空水库等方面应用非常广泛。压力管道按布置方式可分为开敞式水管、埋藏式水管和回填式水管三类。压力管道按所用材料的种类分为钢管、木管、钢筋混凝土管等。由于钢材具有强度高、防渗性能好等优点，目前大中型水电站的压力水管大都采用钢管，通常称为压力钢管。目前大多数输水管道的工作环境非常恶劣，在长距离输送过程中，由于温度变化和地基不均匀沉降、外载、管道老化、腐蚀等原因导致管道泄漏，造成水资源的严重浪费。我国是一个水资源比较匮乏的国家，水资源不足且全国东南西北各地分布不均匀，很多城市水资源短缺，尤其是一些北方城市，缺水问题更加严重，以北京为例，人均水资源仅是世界平均值的 3.1%，缺陷问题给人们的生活造成严重影响。而且我国是一个农业大国，总用水量的 75%都用在农业上，因此发展节水农业更是我国的一项重要战略。但是我国水资源的损失情况比较严重，其中 70%都是由管道泄漏造成的，浪费了大量的水资源，水资源的紧缺严重影响着我国经济的发展及人民生活标准的提高。由以上所述，对管道进行无损检测研究具有重要的理论意义和实际应用价值，也具有重大的社会意义和经济效益。管道损伤定位检测技术是多领域多学科知识的综合，技术差别较大。传统的管道缺陷损伤定位方法一般有依靠硬件和依靠软件的方法。依靠硬件的方法主要指依靠各种硬件仪器或用生物巡视的方法对管道损伤进行检测。依靠软件的方法指的是根据泄漏流体在管壁上或管道内部所产生的流量、压力等参数的变化对管道损伤进行检测及定位的方法。传统的无损检测方法具有操作便捷等优点，但却存在检测速度慢、抗干扰能力及精确度低、效率低、费用昂贵等问题，很难对长距离管道的损伤进行准确检测。导波技术恰好弥补了传统无损检测方法的不足，导波技术与传统无损检测方法相比具有很多优势[1]，首先导波在传播过程中衰减很小，可以传播非常远的距离，信号接收传感器能够接收激励端和信号接收点之间管道损伤状况的完整信息。而且导波能够在管道整个壁厚内引起质点振动，因此，导波技术可以对管道的轴向及径向损伤进行很好的检测。
1.2 国内外研究进展和发展趋势
1.2.1 国外的研究现状
国外学者在二十世纪初就开始对导波理论进行研究，最初主要研究在板状波导中弹性波的传播特性，随着研究的进展开始探讨导波技术在管道缺陷检测中应用。目前主要研究对充液管道及在管道弯头部分应用“弯曲模态调节技术”进行损伤检测[2]。英国帝国理工大学的学者们[3]最先尝试在工厂的管道检测中应用超声导波理论。J.L.Rose[4]对管道的超声导波检测进行了系统研究，提出利用梳状传感器阵列激发板中特定模态的导波。D.C.Gazis[5]研究了波在空心圆柱三维方向上的传播规律，推导出了纵波和扭转波两种模态。Armenakas 等[6]研究认为管状结构中的弹性波具有多模态特性，并将可能出现的导波模态在频散曲线上给出。Cawley[7]成功地将超声导波检测技术用于对工业管道的损伤检测中。J. Ghosh[8]推导出空心圆柱壳中波的线弹性解，并得到了纵向模态波的数值解。Ditri 等[9]研究认为模态的频率和数量对导波模态的特性有很大程度的影响。Demma[10]等通过有限元模拟和实验方法对弯管中导波的传播特性进行了深入研究。A. H. Fitch[11]通过实验的方法激发了空心圆柱壳中四种轴对称和非轴对称导波模态，并得到了群速度频散曲线。G.Herrmann 和I. Mirsky[12-13]应用三维弹性理论对管壁较厚的空心管道进行了研究，对频散方程进行计算，并得出了较低阶轴对称模态导波的相速度解。Qu 等[14]研究了圆环外部受脉冲激励后周向导波的频散方程及传播特性，并通过实验证明了这种检测方法的有效性。Alleyne 等[15]研究发现在 70kHz 附近较宽的频带内，L(0，2)模态导波具有非频散性，管壁质点的振动主要沿管道纵向，应变在管壁厚度方向上变化不明显，而且在管道的弯头及焊缝处，导波模态会发生转变，不易于进行管道的损伤分析。M. V. Brook[16]研究通过沿管道法线方向施加轴向荷载激发轴向 L（0，2）模态导波应用于管道的损伤检测。Kwun 等[17]对纵向模态在充水及未充水管道中的传播特性进行了分析，研究表明 L（0，2）模态在充水管道中会产生模态分支现象，且波速降低。
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
导波是一种机械波，在有限介质内平行于介质边界线平面传播。我们通常将传播导波的介质称为波导，管道就是一种常见的圆柱形波导。导波在沿介质传播时，其传播状态将受到传播介质几何边界的约束。当传播介质受力发生形变时，这种形变将通过界面之间的相互作用传递给下一处相邻部分，而此处发生形变的部分将回复到之前的无变形状态，这种形变状态将以一定的规律向前传播，在传播的介质中形成弹性波。导波在传播过程中通常以反射和折射的形式与边界发生相互作用，根据其传播方向与振动源在介质中的振动方向是否相同可分为纵波和横波，导波在传播时通常发生纵波与横波之间的模态转换。
2.1.2 群速度和相速度概念
频散特性是导波的基本特性之一，指的是导波的相速度随频率的改变而变化的现象。由于导波频散现象的影响，导波波包的形状也会随着传播距离的改变而发生改变。导波的频散通常可分为物理频散和几何频散。物理频散我们一般应用比较少，经常在某些高分子非金属材料中得到应用。几何频散则应用较多，是指由于管道结构几何尺寸的影响，导波在管道中传播时会发生频散现象。导波的频散曲线是指导波相速度与频率关系的曲线，通过绘制导波的频散曲线可以得到导波的频散特性。试验中激励频率的选择要根据频散曲线获得。对于本文中用到的空心管道，基本参数为：管道外直径为 61.2mm、内直径为 51.2mm，管道壁厚为 5mm。频散曲线是通过求解频散方程得到的，如图 2-2 所示。
3 Ansys 模拟与试验验证.....13
3.1 试验分析 ........14
.2 Ansys 数值模拟....18
3.3 本章小结 .......29
4 不同损伤工况管道的损伤检测研究.......30
4.1 空心管道中导波的传播路径分析.....33
4.2 损伤工况 1 管道的损伤检测分析.....34
4.2.1 损伤工况 1-1 的检测与定位 ......35
4.2.2 损伤工况 1-2 的检测与定位 ......36
4.2.3 损伤工况 1-3 的检测与定位 ......38
4.3 损伤工况 2 管道的损伤检测分析.....40
4.4 损伤工况 3 管道的损伤检测分析....46
4.4.1 损伤工况 3-1 损伤检测与定位 ........46
4.4.2 损伤工况 3-2 损伤检测与定位 ........48
4.4.3 损伤工况
3.3 损伤检测与定位 .......50
4.5 损伤工况 4 管道的损伤检测分析....52
4.6 损伤工况 .....59
4.7 本章小结 .......64
5 结论与展望 ....66
5.1 研究结论 .......66
5.2 展望 ...66
结论
管道是水工建筑物重要的组成部分，在农业灌溉、水利工程上应用广泛。大多数管道的工作环境非常恶劣，在长距离输送过程中，由于外载、管道老化、腐蚀等原因导致管道泄漏，造成资源的严重浪费。传统的检测方法由于其自身的局限性很难广泛应用于长距离管道的损伤检测。而导波技术由于其具有检测效率高、检测距离远、速度快及声场遍及整个壁厚等优势，在管道无损检测方面取得了广泛应用。本文将Ansys数值模拟与实验室试验进行对比分析，并应用Ansys软件研究低频导波对缺陷轴向位置不同、缺陷轴向宽度不同、缺陷径向深度不同、缺陷周向角度不同、双缺陷的管道进行损伤检测，通过理论分析和数值模拟等手段进行了深化和扩展研究，得到的具体结论如下：
(1)通过对频散曲线进行分析得出波的模态不同，其频散程度各不相同。在不同的频率范围内，相同的导波模态，其频散程度也各不相同。L(0，1)模态、F(1，1)模态及 T(0，1)模态不存在截止频率，其他模态均存在截止频率。在某一频率处，会同时产生两个（或两个以上）模态，但各个模态的群速度各不相同，且随着频率的增加，模态数迅速增加。频率在 0～50KHz 范围内，T(0，1)模态的波速始终保持不变，其群速度和相速度是非频散的。因此可以考虑将扭转波应用到管道的损伤检测中。频率在 0～20KHz 的低频率范围内，L(0，1)模态导波的群速度最快，频率在 0～10KHz 范围内，L(0，1)模态导波的群速度基本上没有变化，其相速度也基本保持不变。在 0～10KHz 的频率范围内，在空心管道中可能会出现纵向 L(0，1)模态导波，F(1，1)弯曲模态导波，T(0，1)扭转模态导波，如果管道结构及荷载均对称，即冲击锤或力锤对管道的冲击方向与管道纵向轴线重合，空心管道中不会产生扭转模态导波和弯曲模态导波，只会产生纵向模态导波。
(2)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。
(3)通过 Ansys 动力学模块对轴向位置不同的缺陷、轴向宽度不同的缺陷、径向深度不同的缺陷、轴向角度不同的缺陷、双缺陷管道受均布瞬时冲击力的情况进行了数值模拟，初步探讨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。
参考文献
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[2]董为荣，帅建．管道超声导波检测技术[J]．管道技术与设备，2006（6）：21-23．
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[7]Cawley P，Alleyne D．The use of Lamb waves for the long range inspection of largestructures[J]．Ultrasonics，1996(34)：287-290．
[8]Ghosh J．Longitudinal vibration of a hollow cylinder[J]．Bulletin of the Calcutta MathematicalSociety，1923，24(14)：31-40．
[9]J．J．Ditri，J．L．Rose． Excitation of guided elastic wave modes in hollow cylinders by appliedSurface tractions[J]．Journal of Applied Physics，1992，72(7)：2589-2597．
[10]A．Demma，P．Cawley，M． Lowe，et al．The effect of bends on the propagation of guidedwaves in pipes[J]．Journal of Pressure Vessel Technology，2005，127：328-335．