換熱管缺陷扭轉(zhuǎn)模態(tài)導波檢測的仿真研究

從 明，武新軍，孫鵬飛，吳蓮鋒

(1.華中科技大學機械科學與工程學院，湖北武漢 430074;2.柳州歐維姆機械股份有限公司，廣西柳州 545005)

0 引言

換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。換熱管作為兩種熱交換物料的媒介，是換熱器的重要部件。由于換熱管受物料沖刷、氣蝕和腐蝕因素等影響，長期使用會出現(xiàn)管壁減薄、應(yīng)力腐蝕、點蝕等常見缺陷，給產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全帶來隱患。因此，換熱管定期檢測成為研究的熱點。目前，應(yīng)用于換熱管檢測的方法主要有:旋轉(zhuǎn)超聲法、漏磁法、渦流法等［1－3］，上述方法都需要傳感器穿過換熱管，存在檢測效率低，且對換熱管內(nèi)壁清洗要求高等不足。超聲導波由于具有單點激勵長距離檢測的特點，可在換熱管端部激勵實現(xiàn)整管檢測。該方法具有檢測速度快、清洗要求低等優(yōu)點，開始應(yīng)用于換熱管檢測。其中，T(0，1)模態(tài)具有非頻散的特性，在導波檢測中應(yīng)用較多［4－10］。

有限元軟件ANSYS作為一種數(shù)值模擬方法，已成功應(yīng)用于超聲導波檢測研究。然而，現(xiàn)有的有限元仿真只能通過施加位移載荷激勵扭轉(zhuǎn)模態(tài)導波，限制了導波技術(shù)在換熱管檢測中的發(fā)展。近些年，楊理踐等［11－12］基于 ANSYS LS － DYNA顯性動力學模塊，實現(xiàn)了導波縱向模態(tài)的仿真研究。由于該模塊選用Solid 164單元無旋轉(zhuǎn)自由度，無法施加轉(zhuǎn)角或扭矩激勵出扭轉(zhuǎn)模態(tài)導波。在此提出在換熱管端部連接剛體，由剛體轉(zhuǎn)動帶動仿真模型運動，成功在換熱管中激勵出T(0，1)模態(tài)的基礎(chǔ)上，利用轉(zhuǎn)角加載和扭矩加載兩種不同的激勵方式，研究了T(0，1)模態(tài)導波在直管和彎管中的傳播特性，為導波應(yīng)用于換熱管檢測提供指導。

1 激勵結(jié)構(gòu)及方法

ANSYS LS－DYNA模塊的優(yōu)勢在于可實現(xiàn)多次反射回波分析，利用有限長管道仿真模擬長距離導波傳播過程，減少仿真計算量。之前的縱向模態(tài)仿真分析中，均是直接在管道端部加載軸向力或位移。然而，Solid 164單元沒有旋轉(zhuǎn)自由度，無法直接在管道端部加載轉(zhuǎn)角或扭矩。為此，設(shè)計了一種新型導波扭轉(zhuǎn)模態(tài)激勵結(jié)構(gòu)，如圖1所示。采用Solid 164單元建立換熱管3D仿真模型，在換熱管端部連接一段同心圓環(huán)狀剛體，通過限制剛體的自由度，使其只能繞換熱管軸線方向轉(zhuǎn)動。在剛體上施加轉(zhuǎn)角載荷或扭矩載荷，由剛體轉(zhuǎn)動帶動換熱管運動，間接激勵出軸對稱扭轉(zhuǎn)模態(tài)導波。

圖1 扭轉(zhuǎn)模態(tài)導波激勵結(jié)構(gòu)

2 建模及仿真結(jié)果分析

2.1 仿真模型建立

為驗證該激勵方法的正確性，首先選用無缺陷換熱管進行仿真試驗。換熱管規(guī)格為直徑25 mm，壁厚2.5 mm，標準長度 1.5 m 的鋼管，密度7850 kg/m3，彈性模量 210 GPa，泊松比 0.28。使用Solid 164單元建立換熱管幾何模型，掃掠生成網(wǎng)格。為了保證計算的精度，換熱管周向劃分72等份，單元軸向長度5 mm。

圖2 環(huán)形刻槽缺陷位置示意

另外，由于換熱管常存在彎管結(jié)構(gòu)，為分析彎管對扭轉(zhuǎn)模態(tài)導波缺陷檢測信號的影響，文中也研究了T(0，1)模態(tài)導波對U形換熱管環(huán)形刻槽缺陷的檢測過程。U形換熱管的直徑D=25 mm，壁厚 T=2.5 mm，直管部分長度 L=0.6 m，彎管部分半徑R=0.2 m。設(shè)置在彎管部分的缺陷信息如下:軸向長度 2.5 mm，徑向深度 0.5 mm，參數(shù)θ(0～180°)進行周向定位。與之對照，選用相同規(guī)格、總長相等的直管，在直管與U形換熱管等聲程處設(shè)置相同的環(huán)形刻槽缺陷，即:L1=θr，如圖2所示。

2.2 激勵參數(shù)設(shè)置

在剛體上施加漢寧窗調(diào)制的5個周期正弦轉(zhuǎn)角載荷或扭矩載荷作為激勵信號，由于激勵信號能量集中，導波信號經(jīng)過彎管等復雜結(jié)構(gòu)后仍可以長距離傳播。根據(jù)導波群速度頻散曲線，選定激勵頻率為50 kHz，導波在該頻率下，除T(0，1)模態(tài)外，其他模態(tài)導波均處于頻散階段，因此可以更好地判斷仿真信號的模態(tài)。由圖3可以看出，T(0，1)模態(tài)導波在直徑25 mm、壁厚2.5 mm的鋼管中理論波速為3233 m/s。

圖3 導波群速度頻散曲線

扭轉(zhuǎn)模態(tài)導波只有周向位移，故取接收處所有節(jié)點的周向位移之和作為導波檢測信號。

2.3 無缺陷換熱管的仿真結(jié)果分析

激勵端部施加不同類型的激勵信號，模擬T(0，1)模態(tài)導波對無缺陷換熱管的檢測情況。在剛體上施加繞換熱管軸線方向的瞬時轉(zhuǎn)角載荷，距激勵端0.5 m處接收仿真信號，見圖4。

圖4 轉(zhuǎn)角－扭轉(zhuǎn)模態(tài)導波仿真信號

由圖4的時間位移曲線，可以明顯看出通過信號和端部回波信號。隨著傳播距離增加，信號幅值逐漸減小，導波在傳播過程中發(fā)生衰減，但無頻散現(xiàn)象。通過信號和第一次端部回波信號的時間間隔為0.621 ms，傳播2 m，計算可得該波波速為3221 m/s，接近理論波速，說明通過在激勵端施加轉(zhuǎn)角載荷可以激勵出T(0，1)模態(tài)導波。

在不改變其他仿真參數(shù)的條件下，在剛體上施如圖1所示瞬時扭矩載荷，距激勵端0.5 m處接收仿真信號，如圖5所示。

圖5 扭矩－扭轉(zhuǎn)模態(tài)導波仿真信號

圖5的時間—位移曲線中，通過信號和第一次端部回波信號的時間間隔為0.623 ms，傳播2 m，計算可得該波波速為3210 m/s，接近理論波速，同時仿真信號無頻散現(xiàn)象，說明通過在激勵端施加扭矩載荷也可以激勵出T(0，1)模態(tài)導波。

因此，通過剛體在換熱管激勵端施加轉(zhuǎn)角或扭矩載荷都可以激勵出T(0，1)模態(tài)導波，很好地驗證了前文提出的扭轉(zhuǎn)模態(tài)導波激勵方法的正確性。

2.4 環(huán)形缺陷換熱管檢測的仿真分析

建立如圖2所示的帶環(huán)形刻槽缺陷的直管和U形換熱管仿真模型，圖中距離激勵處T較近的端部為近端部(A端)，反之為遠端部(B端)。采用上述激勵方法，在剛體上施加瞬時扭矩載荷激勵T(0，1)模態(tài)導波。激勵頻率50 kHz，接收位置距激勵端0.5 m。圖6，7分別示出直管和U形換熱管的缺陷檢測信號，接收處R先后接收到通過信號、缺陷一次回波、缺陷二次回波、第一次端部回波和第二次端部回波。其中，通過信號是導波直接經(jīng)過R處時接收的信號;缺陷一次回波是通過信號經(jīng)過缺陷反射的信號;缺陷二次回波是缺陷一次回波經(jīng)過A端反射的信號;第一次端部回波是導波信號經(jīng)過B端反射的信號;第二次端部回波是第一次端部回波經(jīng)過A端反射的信號。

圖6 L1=0.314 m環(huán)形刻槽缺陷的檢測信號

圖7 θ=90°環(huán)形刻槽缺陷的檢測信號

由圖6的時間—位移曲線可以看出，通過信號與第一次端部回波信號的時間間隔為0.825 m/s，導波傳播2.656 m，計算可得該波的平均波速為3219 m/s，接近理論波速。推斷出缺陷位置距激勵端0.924 m，與實際位置0.914 m僅相差10 mm，缺陷定位準確。

由于空心圓柱體的頻散曲線只適用于直管，彎管無法求得解析解。一般由通過信號和第一次端部回波信號計算T(0，1)模態(tài)導波在彎管中群速度的均值。由此，計算可知圖7中仿真信號的平均波速為3192 m/s，與直管中理論波速3233 m/s存在差異。根據(jù)仿真信號計算出缺陷位置距激勵端 0.909 m，對應(yīng) θ=88.57°，與實際位置僅相差1.43°，缺陷定位準確。

對比圖6，7中的時間—位移曲線，發(fā)現(xiàn)在通過信號與第一次端部回波信號之間，導波信號經(jīng)過彎管段時出現(xiàn)幅值上的波動，但不影響對缺陷的定位。

為了進一步研究彎管對缺陷定量的影響，改變環(huán)形刻槽的位置，參數(shù) θ由30°逐步增大到150°，Δθ=30°，同時改變直管中 L1值，保證直管和U形換熱管的缺陷距離激勵端長度相等，即滿足L1=θr。比較直管和U形換熱管的缺陷一次回波信號衰減曲線(DAC)，如圖8所示。

圖8 不同位置缺陷一次回波信號峰值比較

由圖8可以看出，缺陷位于彎管部分引起的信號幅值衰減明顯大于直管部分，說明導波信號通過彎管的能量損失更大。因此缺陷位置未知時，對U形換熱管進行T(0，1)模態(tài)導波檢測，可以精確定位缺陷位置，但不能根據(jù)缺陷回波信號的幅值(反射系數(shù))判斷缺陷的大小，需要單獨考慮彎管對導波檢測信號的影響。

3 結(jié)論

針對ANSYS中Solid 164單元因無旋轉(zhuǎn)自由度的不足，提出由剛體轉(zhuǎn)動間接激勵扭轉(zhuǎn)模態(tài)導波的方法。采用兩種不同的激勵方式——轉(zhuǎn)角加載和扭矩加載，可在換熱管中激勵出扭轉(zhuǎn)模態(tài)導波T(0，1)。同時還進一步研究了T(0，1)模態(tài)導波對U形換熱管環(huán)形刻槽缺陷的檢測情況，發(fā)現(xiàn)仿真信號對缺陷定位準確，但由于導波信號在彎管和直管的衰減速率不同，因此對彎管處及彎管之后的缺陷大小進行定量時，需要單獨考慮導波在彎管段的衰減。

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