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超声导波在水下管道结构中的传播规律

作　者: 林晓平
导　师: 雷振坤
学　校: 大连理工大学
专　业: 工程力学
关键词: 超声导波海底管道无损检测边界元法
分类号: TB553
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着超声导波检测技术日趋成熟,将导波技术用于海洋油气管道的损伤和缺陷检测在国际上已经展开,并成功应用于工程实际。国内的超声导波检测技术研究起步较晚,目前对海洋管道的超声导波检测技术还处于探索性的研究阶段。而采用超声导波法对海底管道进行健康监测和缺陷检测的关键是要研究导波在深水环境下海底管道结构中的传播规律。本文首先介绍了超声导波的传播原理和研究方法,这是对水下管道结构中导波传播规律进行研究的理论源泉。接着,采用全局矩阵法对超声导波在水下管道结构中传播时的位移和应力进行计算,并结合边界条件推导了该结构中导波传播的频散方程,用来进行频散分析。采用数值方法分别绘制了轴对称导波(包括纵向模态和扭转模态)在单层管道、带粘弹性层管道、受水载管道、充粘性液体管道和外受水载内充粘性液体带粘弹性层管道(水下输油管道)结构中的传播的频散曲线,以及水下输油管道中导波的波结构。通过对这些管道结构的频散曲线和波结构的对比分析,详细阐述了导波在水下管道结构中的传播特性以及水载、粘弹性介质和油对导波传播的影响。分析结果不仅能加深导波在深水环境下的海底管道结构中传播规律的理解,也可以为设计采用纵向导波进行海底输油管道损伤检测系统提供技术支撑。最后,本文介绍了一种解决导波散射问题的BEM-NMET方案——边界元与模态扩展技术相结合方法,例举了板结构中六种缺陷形式导波的散射情况。所涉及的缺陷形式包括自由边界、倾斜边界、缺陷边界、表面三角形缺陷、表面矩形缺陷和内部缺陷。通过这几种缺陷与导波的相互作用,不仅展现了BEM-NMET方法解决导波散射问题的全过程及其优越性,而且计算结果可为工程检测中模态和频率的选择、缺陷类型的辨别和缺陷大小的定量分析等提供了依据。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
1 绪论  8-14
  1.1 课题背景  8-9
  1.2 研究历史和现状  9-13
    1.2.1 超声导波理论发展概况  9-11
    1.2.2 导波数值分析方法与实验研究概况  11-13
  1.3 小结  13-14
2 超声导波的理论基础  14-29
  2.1 基本概念  14-18
    2.1.1 体波和导波  14-15
    2.1.2 相速度和群速度  15-16
    2.1.3 频散曲线和波结构  16-17
    2.1.4 导波的衰减  17-18
  2.2 频散原理  18-25
    2.2.1 板结构中的超声导波  18-21
    2.2.2 管道结构中的超声导波  21-25
  2.3 全局矩阵法  25-28
    2.3.1 简介  25
    2.3.2 全局矩阵法  25-28
  2.4 小结  28-29
3 水下管道结构中超声导波的频散分析  29-52
  3.1 频散方程的推导  29-33
  3.2 频散分析  33-44
    3.2.1 单层管道  34-36
    3.2.2 受水载的单层管道  36-38
    3.2.3 带粘弹性外包层管道  38-41
    3.2.4 单层管道内充满液体  41-43
    3.2.5 水下输油管道  43-44
  3.3 波结构分析  44-51
  3.4 小结  51-52
4 边界元法结合模态扩展技术探讨导波的散射特性  52-81
  4.1 边界元法简介  52-54
    4.1.1 边界元法的特点  52-53
    4.1.2 边界元法的基础知识  53-54
  4.2 导波散射问题的边界元法  54-64
    4.2.1 分析模型和边界条件  54-55
    4.2.2 傅立叶变换域下的边界积分方程  55-56
    4.2.3 边界积分中奇异性的处理——系数矩阵对角线元素的计算  56-60
    4.2.4 模态扩展技术(NMET)  60-63
    4.2.5 边界元法与模态扩展技术相结合  63-64
  4.3 数值结果分析  64-80
    4.3.1 数值模型和程序结构  64-65
    4.3.2 数值结果  65-79
    4.3.3 误差分析  79-80
  4.4 小结  80-81
结论  81-83
参考文献  83-86
附录A 水下输油管道中轴对称导波的频散方程表达式  86-89
  A.1 纵向模态  86-88
  A.2 扭转模态  88-89
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  89-90
致谢  90-91

超声导波在水下管道结构中的传播规律

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