磁致伸缩导检测传感器有限元仿真研究-开题报告

XX大学毕业设计（论文）开题报告 题 目 磁致伸缩导波检测传感器有限元仿真研究专 业 名 称 测控技术与仪器班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 填 表 日 期 20xx 年 4 月 9 日一、选题的依据及意义： 海洋运输、铁路运输、航空运输、公路运输、管道运输是五大运输方式，其中管道运输在运输液体、气体、浆液等方面具有特殊的优势。在我国，管道干线已经发展成为很复杂的网络。随时使用时间的增加，管道会受到冲刷了腐蚀，从而导致管壁变薄发生泄漏事故，不仅会导致巨大的经济损失，还会破坏生态环境，也许可能造成人员伤亡。2013年11月12日位于青岛市黄岛区的中石化输油储运公司潍坊分公司输油管线破裂，发生爆炸事件，共造成62人遇难，136人受伤，直接经济损失7.5亿元。2012年淄博市高新区输油管道柴油泄漏，致使环境受到了污染。2008-2010年间，全国仅媒体公开报道的地下管线事故平均每天就有5.6起。全国每年因地下管线事故造成的直接经济损失达数十亿元。由此可见，管道的质量的重要性。虽然现在的常规无损检测手段在对管道检测有着很多的优势，譬如，常规无损检测由于其已发展多年，其技术已经成熟，只需要对工人进行稍加培训，就可以使用现有的设备进行检测。虽然常规无损检测技术比较成熟，但是也有其缺点，其中一个缺点就是常规无损检测需要逐点进行检测。管道系统是很庞大的，如果全都进行逐点检测，工作量将是很庞大的，而且费时费力，成本高。因此，常规无损检测方法难以有效的在当前工业中广泛使用的成千上万公里的管道检测中应用。钢管也同样用于物料运输及结构支撑，在使用过程中，各种原因都会导致钢管出现裂纹、腐蚀等使其失效，为安全带来隐患。常用的检测手段有漏磁法和超声法，但是这两种方法都需要接触被检测表面，而且检测区域有限，对于大量的工程，难以快速的检测。而且，在实际中，为了保护钢管，在钢管外层还带有保护材料，为了接触钢管表面，需要去除这些保护材料，这样一来，检测效率降低，检测成本提升。与传统超声波相比，超声导波沿传播路径的衰减下，可沿管道传播几十米远的距离，并且回波信号包含管道整体性信息，而且超声导波在传播时在管的内外表面及中部的质点都有振动，所以声场遍及整个管厚，这样就可以检测管道的内部缺陷或者表面缺陷。我们还可以通过控制激发频率及模态来提高检测的精度。超声导波还可以在水下和包覆层下进行检测，可以对充满液体的管道进行检测，这样就无需中断管道来进行检测。在用超声导波进行检测的时候，由于导波激励接收方式的不同，存在着很多种不同的超声导波无损检测方法。虽然如此，但是超声导波的传感器却各不相同，目前所使用的传感器主要有压电式传感器（PZT）、磁致伸缩传感器（MsS）、电磁声传感器（EMAT）、脉冲激光式传感器和PVDF式传感器等。其中压电传感器要与管道表面接触，有时这就需要去除包覆层，费时费力，难以大面积使用。相对于压电式传感器，磁致伸缩传感器是非接触式的，就不需要直接耦合，也就省去了去除包覆层的一步。由于是非接触式，所以传感器就可以随意移动，灵活性较大。传感器的核心为软性的线圈，就可以适应任何截面。其还有转换效率高、适应各种温度场合的特点。本题主要是在电脑层面模拟超声导波的传播特征，帮助分析缺陷信号，使其检测有个参考。在现有的管道导波检测中,导波按激励方式的不同可以分为压电式、电磁声、脉冲激光式、PVDF式和磁致伸缩式。而压电式和PVDF式必须要紧贴被测件表面,需剥离管道的外包层,其中电磁声式的工作距离比较有限,通常只有几个毫米,且换能效率低。脉冲激光式因激发导波主要机理是热弹性膨胀和试件表面材料熔化、蒸发而形成冲击力,为有损检测。相比而言,磁致伸缩式(magnetostrictivesensor,MsS)导波管道缺陷检测装置因具有以下特点引起了广大的学者的关注:(l)安装方便；(2)可以对管道的整个横截面检测；(3)可以进行长距离检测,理想状态下,单方向最长约300m；(4)可以在磁致伸缩材料的居里温度以下高温作业,工作温度为一40-180,对于压电换能器因高温无法使用的场合有较大优势；(5)可以实现对管道整个周向完全均匀的激励,最大限度地抑制弯曲模态,激励轴对称模态不需要去除管道的防护层；(6)可以检测较大直径的管道,MsS曾用于对直径达1524mm的管道进行了现场检测。在实际中，通过实验得到结果可能是费时费力的。所以在实验之前，利用仿真软件来模拟。有限元分析方法的基本出发点是将复杂的问题简单化,再对简化后的问题进行求解。它将求解域划分成若千个相连的小区域,每个小区域就称为有限元。对每一个有限元的近似解进行求解,然后再根据整个区域所要满足的边界条件来对其进行求解,这个解也是问题的近似解。在实际工程中,有很多问题只能得到近似解,就可以利用有限元分析方法对问题进行求解。它的计算精度很高,能解满足复杂条件下的各种问题。因此,有限元分析被广泛的应用于电磁场,流体力学、热传导等领域。在电磁超声换能器的仿真分析过程中，ANSYS 有限元仿真软件无法查看铁磁性材料中磁致伸缩力。由于 COMSOL 有限元仿真软件可查看铁磁性材料中磁致伸缩力的变化，利用 COMSOL 有限元仿真软件对电磁超声导波换能器进行仿真，总结了磁场分布规律、钢管表面所受磁致伸缩力的大小及质点位移云图，分析了纵向导波在缺陷处的受力情况及传播形式。二、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）： 在19世纪中后期，James P.Joule和Villari分别发现了磁致伸缩效应及其逆效应【23】。直到 20 世纪 20 年代，对磁致伸缩现象主要还是进行理论上的研究。二战期间发明了磁致伸缩声纳换能器，高能超声处理换能器，以及用于电子信息处理和存储的超声延迟线等。然而，自 20 世纪 60 年代开始，功能类似的压电元件技术获得快速进步。压电元件具有尺寸小、制造容易、效率高等优点，因而得到广泛的应用。压电元件的发展在一定程度上抑制了磁致伸缩元件的研究与发展。1990 年，美国西南研究院无损评估科学技术项目组为解决斜拉桥钢缆的缺陷检测问题，尝试利用了磁致伸缩导波技术，并取得了成功。随后，许多研究者进一步深入研究了磁致伸缩传感器在无损检测领域的应用。H.Kwun 和 C.M.Teller4利用磁致伸缩效应及其逆效应在钢杆中进行了激励和检测超声波的实验。通过改变传感器的结构和偏置磁场的分布，观察到了单一模式或多个模式同时存在的导波。D. C. Gazis5分析了板壳理论和轴对称假设的局限性，提出了自己的线弹性理论。他首先分析了平面应变假设条件下的空心圆柱壳，得到了频散方程。他分析了轴对称和非轴对称模态导波。并得出了壁厚和内径比越小，圆柱壳中的弹性解接近板中兰姆波的解的结论。后来，D. C. Gazis又完整地推导出在无限长、各向同性的空心圆柱壳中的弹性解，得到了描述纵向模态和扭转模态导波在空心圆柱壳中传播的理论表达式。英国帝国学院理学工程系的超声无损检测组主要研究有限元法：D. N.Alleyne和P.Cawley6在研究Lamb波与各种深度、宽度以及不同方向刻痕的相互作用的时候，采用了纯时域的有限元法；美国宾西法尼亚大学工程科学和力学系的工作者对边界元法作了比较深入的研究工作：Rose7等研究导波在板材中的反射和透射时，利用边界元法对板表面缺陷的形状进行了分类。在信号处理方面,目前研宄比较多的是短时傅里叶变换、二维快速傅里叶变换以及小波变换。P.Cawley8等在上世纪九十年代最早通过二维傅里叶变换的方法成功的把多种模态重叠的信号进行分离;Hyeon Jae Shin8和Leyrmarie9等分别运用短时傅里叶变换和小波变换对回波信号进行了处理,并得到了较理想的结果。目前,英国的C.Aristegui10、P.Cawley11等和美国的J.L.Rose等分别在进行充液管道的超声导波检测和管道弯头处的缺陷检测等方面的研宄。此外,Shin12和Rose等利用非轴对称模态的超声导波,在管道的表面采用局部加载技术在管道中激励出非轴对称超声导波对管道系统进行缺陷检测。国内研究国内在管道超声导波检测方面的研宄进行的相对较晚,但经过多年的积极探索,在相关领域取得了长足的进步。程载斌13等详细阐述了超声导波检测技术的原理及应用,并重点强调了超声导波检测技术在管道系统缺陷检测中的应用。近年来，国内大量学者对超声导波在金属板及金属管中的传播特性进行研究。康磊1415等人通过对电磁超声兰姆波换能器多目标优化设计削弱兰姆波多模态现象。焦敬品，何存富课题组等人对超声导波模态的选择、超声导波中模态与缺陷的关系以及激励单一模态的S0 周向兰姆波电磁超声换能器进行设计，且在 360 度方向有很好的一致性，并提出超声导波广泛的应用前景1617。黄凤英，周正干等人采用 ANSYS 有限元仿真软件对电磁超声换能器进行仿真，并结合实验得到永磁铁的优化参数1819。沈阳工业大学杨理践教授2022课题组采用电磁超声检测技术对金属板材及管材中波产生和传播进行分析，近几年主要研究横波、纵波、表面波和板波的产生形式和传播机理，并将其运用到缺陷检测中。在国内，磁致伸缩纵向导波技术无损检测研究尚处于起步阶段。华中科技大学武新军2324等人详细论述了管道用磁致伸缩超声导波检测系统的组成，研制了相关实验装置进行信号检测，现场试验结果表明磁致伸缩传感器用于管道导波检测的可行性、有效性和实用性。上海交通大学金建华、申阳春25等人利用磁致伸缩式超声导波传感器激励了周向导波信号对大直径管道进行了损伤检测，但其激励的为周向导波。华中科技大学柯岩26等人进行了基于磁致伸缩技术的钢管无损检测实验研究，但没有提及传感器的阻抗匹配问题。湖北工业大学程涛27等人开展了管道超声导波磁致伸缩传感器的研发工作，对直径 51mm 的管道进行了裂纹检测，提到了传感器的阻抗匹配问题，但是并没有对该问题进行细致地研究讨论。南京大学近代声学国家重点实验室的汤立国等人讨论了用激光激发管道导波28，给出了主要模式的瞬态波形，并进行了定性解释；南京理工大学的何跃娟、倪晓武、朱日宏等人2930对激光激发薄管、薄板中瞬态导波进行了理论分析和数值模拟。太原理工大学的程载斌等人31综述了应力波检测技术，对超声导波进行管道裂纹检测进行了数值模拟和实验研究。三、研究内容及实验方案： 本课题主要使用comsol软件对磁致伸缩超声导波进行模拟，得出仿真结果，从结果进行分析 。研究方案：（1） 了解仿真软件的使用方法（2） 针对管道中设定超声导波检测仿真模型（3） 利用有限元分析方法对超声导波进行仿真研究（4） 数据分析与处理 四、目标、主要特色及工作进度 本次研究的目的是通过仿真查看磁致伸缩超声导波在管中传播的结果，便于分析其特性。工作进度：（1）查阅有限元仿真检测的相关资料并撰写开题报告 3月9 日4月10日（2）学习有限元仿真软件的使用方法 4月11日4月15日（3）设定磁致伸缩导波传感器仿真模型 4月16日4月30日（4）利用有限元分析方法进行仿真研究 5月 4 日5月15日（5）数据分析及处理 5月16日5月31日（6）总结并撰写论文，答辩 6月 1 日6月26日五、参考文献1 何存富，李隆波，吴斌.周向超声导波在薄壁管道中的传播研究J.实验力学.2002, 17(4):419424.2 宛德福, 罗世华. 磁性物理M. 北京 : 电子工业出版社, 1987.3 戴道生, 钱昆明. 铁磁学M. 北京 : 科学出版社, 1987.4 Kwun H, Bartels K A. Magnetostrictive sensor technology and its applications J.Ultrasonics, 1998, 36(2):171-178.5 D. C. Gazis. Exact analysis of the plane-strain vibrations of thick-walled hollow cylindersJ.Journal of the Acoustical Society of America, 1958, 30: 786794.6D. N. Alleyne, P. Cawley. The interaction of Lamb wave with defectsJ. IEEE Transaction on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, 1992, 39(3): 381397.7 J. L. Rose, W. Zhang, Y. Cho. Boundary element modeling for guided wave reflection and transmission factor analyses in defect classificationJ. 1998 IEEEUltrasonics Symposium, 1998: 885888.8 J. Rayleigh, R. B. Lindsay. The Theory of Sound- V01. I and IIJ. Dover Publications,NewYork, 1945: 214-235.9 H. Lamb. Waves in all Elastic Plate. Proceedings of the Royal Society of LondonJ. Series A,Mathematical and Physical Sciences. 1917: 93-114.10 C. Chree. Longitudinal Vibrations of a Circular BarJ. Quarterly Journal of Mathematics. 1 886, 2 1: 287-298.11 P. M. Naghdi,R. M. Cooper. Propagation of Elastic Waves in Cylindrical Shells: Including the Effects of Transverse Shear and Rotatory InertiaJ. Journal of the Acoustical Society of America. 1956,28(1): 56-63.12 R. Cooper,P. M. Naghdi. Propagation of Nonaxially Symmetric Waves in Elastic Cylindrical ShellsJ. Journal of the Acoustical Society of AiTlerica. 1957,29: 1 365-1373.13 JL L. Rose, J. J. Ditri,A. Pilarski, K. Rajana,F. Carr. A guided wave inspection technique for nuclear stream generator tubingJ. NDT&E International, 1994,27(6):307-310.14 ROSE J L，MUDGE P，et alGuided wave inspection potential of defects in railJNDT&E Internation，2004：153-16115 MURAYAMA R，FUJUSAWA K，FUKUOKA H，et alNondestructive evalustion of material properties with EMATJ1989 IEEE Ultrasonics Symposium，1989：1159-116216 J. MU，L. ZHANG，J. L. ROSEDefect circumferential sizing by using long range ultrasonic guided wave focusing techniques in pipeJNondestructive Testing and Evaluation，2007，22(4)：239-25317 Nauleau P，Cochard E，Minonzio JG，et alCharacterization of circumferential guided waves in a cylindrical cortical bone-mimicking phantomJJ Acoust Soc Am，2012，131(4)：289-29418 BAHARIS C，CORNISH RUltrasonic detection of heat fronts in continuously cast steel productJUltrasonics Symposium，1991：957-96019 Rose J LUltrasonic waves in solid mediaJCambridge：Cambridge Universi