钢管桁架相贯节点的相控阵检测方法研究-开题报告

XX大学毕业设计（论文）开题报告题目 钢管桁架相贯节点的超声相控阵 检测方法的研究专 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 04 月 09 日1、 选题的依据及意义 近年来，随着我国钢铁产量的不断增长，管桁架在被越来越广泛的使用，在建筑中所占的比例越来越大，工业厂房、汽车等行业设备平台生产线、物流仓储、公共建筑体育馆、商务会所、高铁站台、地铁站台、高层商务楼等得到广泛应用。钢管结构也取得较大的突破。钢管结构的最大优点是能将人们对建筑物的功能要求、感观要求以及经济效益要求完美地结合在一起。钢管桁架用钢材制造的管桁架，工业与民用建筑的屋盖结构、吊车梁、桥梁和水工闸门等，常用钢桁架作为主要承重构件。各式塔架，如桅杆塔、电视塔和输电线路塔等，常用三面、四面或多面平面桁架组成的空间钢桁架。桁架是指由杆件在端部相互连接而组成的格子式结构，管桁架即是指结构中的杆件均为圆管杆件。桁架中的杆件大部分情况下只受轴线拉力或压力，应力在截面上均匀分布，因而容易发挥材料的作用，这些特点使得桁架结构用料经济，结构自重小。易于构成各种外形以适应不同的用途，譬如可以做成简支桁架、拱、框架及塔架等，因而桁架结构在现今的许多大跨度的场馆建筑，如会展中心、体育场馆或其他一些大型公共建筑中得到了广泛运用。钢管结构的线条流畅，体形优美，易于实现建筑设计的艺术追求；钢管截面惯性半径较大，可减轻体重，因而经济性优良，相应减少了防腐和防火涂料的费用。 钢管的连接主要采取焊接，即使大型结构的高空安装合拢节点部分采用栓接，也必须把栓接部件焊到钢管杆件上，因而焊接技术在钢管结构的施工安装中占有重要的地位1,2。无论从焊接节点构造，焊接工艺和无损检测技术都有些特殊的要求。我国近年来已经建造了多座管结构形式的大型航站楼、体育馆屋盖和公路桥拱大部分桁架结构中的杆件均在节点处采用焊接连接，而在焊接之前，需预先按将要焊接的各杆件焊缝形状进行腹杆及弦杆的下料切割，这就需要对腹杆端头进行相贯线切割及弦杆的开槽切割。由于桁架结构中各杆件与杆件之间是以相贯线型式相交，杆件端头断面形状比较复杂，因此在实际切割加工中一般采用机械自动切割加工和手工切割加工两种方法进行加工。主管与支管的连接呈K、T、Y或复合形相贯节点形式时，支管端马鞍形曲线。按国外标准规定，把此类圆管相贯形接头分为四个区，即趾部、两侧部、根部区。相贯形节点的焊缝可以分为全焊缝、部分焊透和角焊缝三类，依据设计计算承载要求选择确定。要求全焊透时，支管马鞍形端部（圆管时）的边缘管壁必须切割出一定的坡口面角度以与弦杆表面之间形成适于焊透的坡口角度，所须切割的坡口面角度值随支管与主管斜交角度不同以及接头各区支管母线与主管交点切线的斜面交角角度不同而异，坡口面角度值还与各区位置以及支管与主管的管径比有关。 与此同时，超声相控阵灵活有效的控制声速不仅使之具有很广的应用和发展前景，而且有助于改善检测的可达性和适用性，这也提高了检测的精确性、重现性和检测结果的可靠性，增加了检测的实时性和直观性，促进了无损检测与评价的应用和发展，因此超声相控阵的检测方法也是重要的研究课题。二、国内外研究概况及发展趋势：超声相控阵检测技术的应用始于20世纪60年代，目前已广泛应用于医学超声成像领域。由于该系统复杂且制作成本高，因而在工业无损检测方面的应用受到限制。近年来，超声相控阵技术以其灵活的声束偏转及聚焦性能越来越引起人们的重视，之后由于压电复合材料、纳秒级信号控制、数据处理、计算机仿真、大规模集成电路等多种高新技术在超声相控阵成像领域中的综合应用，使得超声相控阵检测技术得以快速发展，逐渐应用于工业无损检测。国外，2000年以来，在超声相控阵检测技术已得到了一定的发展并且开始应用于工业检测中。形成了金属焊缝检测的超声相控阵检测方面的专利，专利中采用斜探头进行单一方向的聚焦，专利中通过转换开关激励多个换能器形成阵列来监测焊缝缺陷，相关的文献涉及核工业及航空工业领域，如对汽轮机叶片(根部)和涡轮圆盘的检测，核电站检测和航空材料的检测等3，6。法国原子能委员会(CAE)研制了一套基于VXI总线的相控阵扫描FAUST系统，该系统可与多个普通阵列换能器相连7。在超声相控阵技术发展的同时，超声相控阵换能器的改进也有了提高，美国的JRitter等采用复合晶体组成16阵元的线性换能器，扫描范围为0到70度，但只对铁介质检测敏感8。相关文献还报道了表面波及板波的专用相控阵换能器9。在商业领域，加拿大的RD TECH公司是首个推出成熟的超声相控阵检测系统的公司，该系统已经获得美国通用航空公司的认定，其超声相控阵探头采用压电陶瓷线性阵列，容纳晶片60个，配置40-70度的扫查10。瑞典无损检测模拟中心开发的simSUNDT加拿大的U TEX科学仪器公司开发的Imagine 3D 以及美国爱华州立大学无损评价中心开发的UT2 Sim等超声检测仿真软件，在超声相控阵的研发方面也提供了比较好的帮助。采用动态聚焦相控阵系统11、二维阵列和自适应聚焦相控阵系统12、表面波和板波相控阵换能器13和基于相控阵的数字成像系统等的研发、应用和完善已成为今后发展的重点。自适应聚焦相控阵系统的研发已取得显著进展，它能利用已接收的缺陷回波信息自动改变激发规则，从而达到对声束的优化，提高对缺陷检出的准确率。动态聚焦系统已经可以实现精密动态聚焦试验；在天然气管道环焊缝检测中已经开始采用相控阵全自动超声检测装置，但仍需进一步完善；在海洋平台结构检测中也展现越来越多的用途14。国内在超声相控阵检测理论、相关技术及应用方面的研究相对滞后。在工业无损检测领域，由于固体中波动传播复杂造成检测系统组成复杂、成本费高等因素使其应用受限。在机械结构损伤检测领域中，超声相控阵检测技术的相关研究成果相对较少，仅局限于借鉴和应用国外超声检测的现有设备进行工程检测。例如，西气东输第一条天然气管道40多万个焊口进行全自动超声检测15，近两年由美国GE公司提供的在最新腐蚀检测技术中在特检系统得到的应用检测，这些都是国外进口的相控阵超声检测设备的应用。2002年，周琦等人先后研究了检测管道焊缝的超声相控阵仪器，但其换能器采用了普通压电陶瓷片阵列，没有实现抗边界反射干扰波的功能16。2003年，清华大学施克仁教授等设计实现了16通道相控阵超声检测实验系统，该实验系统以波形激励为基础，研究了数字波形相位延时的原理和实现方法，达到了很高的发射延时分辨率17。2005年，大连理工大学杨建华教授等研究了超声相控阵精确延时控制技术完成了通道控制方案的设计18。2006年，中国石油天然气管道科学院联合上海电气自动化设计研究所等单位进行了天然气管道焊缝检测相控阵实验和研制工作，通过对超声波相位控制和电子方法，实现了超声波声速聚焦、偏转，增加了横向裂纹的扫查检测、三维动态缺陷显示功能19。2007年电子测试技术国防科技重点实验室研究了基于CPLD的16通道相控阵发射系统的实现方法20。2010年江苏大学王瑞等完成超声相控阵检测系统接收装置的设计21。综上所述，国内研究的总体现状是，大多局限于声场理论的探讨和国外已有产品的仿制，缺少新的检测技术、检测方法以及检测系统设计方面的研究。换能器的研制上没有创新，为了达到聚焦和偏转的目的通常只考虑数字延时，几乎都未考虑强度控制；国内外超声相控阵的检测仪器价格昂贵，无法实现可控强度聚焦和偏转。无损检测中环境的多变性，检测对象的复杂性对实际结果的影响等问题的考虑均不周全；延时与等强度控制的算法还有待进一步改进，分析误差的具体原因，也有待提高精确度；仪器调节过程复杂,调节准确性对检测结果影响大；从实践检测方面来说，受客观影响,工件表面的粗糙度会对检测结果产生影响。但这一切阻碍不了超声相控阵检测技术的发展，计算机技术和微电子电路技术进一步发展，发射和接收装置的进一步创新，探头模块材料的进一步选用，客服使用中得缺点，都给它的研究和使用提供了强大的生命力。三研究内容及实验方案： 3.1 研究内容：研究超声相控阵对钢管桁架相贯节点焊缝进行超声检测的方法，经过对多普勒超声相控阵仪器的检测原理以及使用方法的学习后对钢管桁架的相贯节点焊缝进行超声相控阵检测，在对钢管桁架节点焊缝区域实行多角度，不同覆盖率，以及带斜楔的探头使用不同数目的阵元（晶片）数时，对缺陷检测的影响情况。通过对比得出最优检测方案。3.2多普勒相控阵仪器3.2.1 仪器简介 Phascan是多浦乐公司自主研发的高水平便携式超声相控阵检测仪，它因汇聚了独立的128个硬件发射通道、支持1024个聚焦法则、功能强大的数据分析处理软件和“超声模拟计算器”等先进技术而在同类产品中具有更强的实用性，是开展超声相控阵检测技术研究与应用的首选。Phascan配备了10.4英寸高亮高分辨率彩色液晶触摸屏，在可图像化同时显示多种扫查方式的检测结果之外，既能保证检测结果的可靠性，又方便管理部门监控、存档与作进一步的缺陷分析。3.2.2 超声相控阵检测原理 超声相控阵是超声探头晶片的组合，由多个压电晶片按一定的规律分布排列，然后逐次按预先规定的延迟时间激发各个晶片，所有晶片发射的超声波形成一个整体波阵面，能有效地控制发射超声束（波阵面）的形状和方向，能实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦。它为确定不连续性的形状、大小和方向提供出比单个或多个探头系统更大的能力。然后采用机械扫描和电子扫描相结合的方法来实现图像成像。3.2.3 阵列排布类型相控阵晶片在探头中排布的几何形状要有三种情况：l 线性（线阵列）l 面型（二维矩阵）l 环形（圆形阵列）3.2.4扫描方式l 动态深度聚焦（DDF）：超声束沿着声束轴线对不同聚焦深度进行扫描。实际上发射声波时使用单个聚焦脉冲，而接受回波时则对不同深度重新聚焦。l 扇形扫描（方位扫描或角扫描）：使阵列中相同晶片发射的声束对某一聚焦深度在扫描范围内移动，而对其它不同焦点深度可增加扫描范围。扇形扫描区大小可变。3.2.5相控阵检测的优点与局限性l 优点（1） 检测可靠性好。相控阵检测可同时形成A扫、B扫、C扫及扇形成像，即可形成多角度的扫描，可发现不同角度的缺陷，检测效果好。（2） 通过聚焦法则的设置可以实现声束的偏转、深度动态聚焦，用一只相控阵探头就可以对不同规格的构件实现检测。（3） 超声检测分辨力好。相控阵可以实现动态聚焦，在不同深度处形成焦点，因此检测分辨检测力好。（4） 检测速度快、效率高。现场检测时，只需对环焊缝进行一次线性的扫描，无需来回移动作锯齿状扫描即可完成全焊缝的扫描。（5） 检测结果可以实现数字化的存储，实现检测结果的动态回放和永久性保存。（6） 检测作业小，无辐射无污染。（7） 不移动探头或者少移动探头就可以检测大厚度工件和形状复杂工件的各个区域，成为解决可达性差和空间限制问题的有限手段。l 局限性（1） 对温度度有一定的敏感性，对工件表面光洁度要求较高。（2） 仪器调节过程较复杂，调节准确性对检测结果影响较大。（3） 检测对象有局限性。（4） 设备价格较高。（5） 相控阵超声检测对横向裂纹不敏感。（6） 对相控阵检测的数据分析要有一定的经验。3.3 实验方案：超声相控阵检测原理：超声换能器的声场分布与其自身的阵元频率、阵元大小及换能器平面结构等相关。本章将通过对单个换能器的辐射声场的研究，进而推导出超声相控阵实现声束聚焦的数学模型，进一步为超声相控阵理论研究提供基础。l 步骤3.3.1 查阅相关文献，了解国内外研究现状3.3.2 Phascan多普勒便携式超声相控阵检测仪(1) 使用仪器前认真阅读说明书，了解仪器组成模块。(2) 熟悉仪器的主要功能特点、超声检测菜单设置及维护保养。3.3.3进行实验l 相控阵检测校准设置（1） 进行检测前，初始化现有的参数设置。（2）选取试块及对接焊板试样在仪器上对探头类型、晶片形状、探头尺寸、阵列参数、楔块、聚焦参数、信号项、阵列设置以及检测对象等的参数进行设置。（3）对超声检测仪器的超声系统进行完整的系统校准。包括聚焦法则声速和延迟校准、灵敏度校准、TCG曲线校准。（4）初始化校准参数设置，直到熟练掌握并理解各部分作用为止。l 数据测量及分析（1） 对所选取的对接焊板试样的焊缝区域进行检测，记录缺陷的相关数据。（2） 分析所得数据，掌握操作技巧。（3） 选取钢管桁架试样，并重复以上相控阵检测校准设置步骤。（4） 对钢管桁架相贯节点焊缝区域进行检测，记录其缺陷相关数据。（5） 分析数据，并与导师探讨得出实验结论。四、目标、主要特色及工作进度4.1目标： 通过对钢管桁架相贯节点焊缝超声相控阵的检测，对相贯节点焊缝进行检测，显示出缺陷的形状，大小，定位，定性等，并对参数进行优化，使得检测更加的精准，从而达到指导实际检测的目的。4.2主要特色：l 超声相控阵可以实现快速检测，操作灵活方便、缺陷定位准确，检测灵敏度高以及可控性好具有推广的实用价值。l 检测结果直观，可实现实时显示；在扫查的同时可对焊缝进行分析、评判。l 对常见的对接焊缝中的的气孔、未焊透和未熔合等体积型缺陷识别能力强，不用考虑其方向性；但是对裂纹缺陷的检测要考虑超声波传播时方向性。否则有可能超声波传播的路径与裂纹缺陷位置一致时，因超声波不存在反射波，无法获取缺陷信号，可能导致漏检。l 超声相控阵最显著的特点是能准确的检测处缺陷的位置和大小。l 相控阵参数设置上可以进行参数的方便快捷设置，可以处理任意几何形状和材料的工件，并可以计算从最简单到最复杂的相控阵检测方案。屏幕的多模块化，让工作效率大大提高。4.3工作进度：20xx.03.0920xx.04.10 文献查阅，外文翻译，开题报告撰写 20xx.04.1120xx.04.15 研究钢管桁架相贯节点焊缝的性质 20xx.04.1620xx.04.30 研究相贯节点焊缝检测方案并讨论 20xx.05.0420xx.05.15 进行反复试验，获取实验数据 20xx.05.1620xx.05.31 资料归档，数据处理、总结 20xx.06.0120xx.06.26 撰写毕业论文，准备毕业答辩 五、参考文献1 王国凡等.钢结构焊接制造M.化学工艺出版社.20042 史耀武.焊接技术手册M.化学工业出版社.2009.3 Jonathan,Buttram.UltrasonicmethodfortheaccuratemeasurementofcrackheightindissimilarmetalweldingphasedarrayP.US2007000328A1USA,200 ThomasJames,Batzinger,HillsBurrnt.PhasedarrayultrasonicinspectionmethodforindustrialapplicationsP.US678942782USA,200 SpeciallinearphasedarmyprobesusedforultrasonicexaminationofcomplexturbinecomponentsJ.Poguet.Jereer.Barcelona,Spain,2002:17-21.6 ErhardA,SchenkGUltrasonicphasedarraytechniqueforausteniticweldinspectionC.15thWCNDTM/CD,Rome,2000.7 SteveMahaut.用动态自适应超声聚焦系统确定缺陷特性(译文)J.无损检测.1998,20(8):236-238.8 RitterJUniversalphasedarrayUTprobefornondestructiveexaminationsusingcompositecrystaltechnologyJ.Thee-JournalofNondestructiveTesting.2000,5(9):1-8.9 DeutschWAK,KarlDeutsch.DefectdetectionwithRayleighandLambwavesgeneratedbyaserf-focusingphasedarrayJ.Thee-JournalofNondestructiveTesting.1998,3(12):1-6.10 R/Dtech.Inc.IntroductiontophasedarrayultrasonictechnologyapplicationA.2005:189-291.11 M.Rao,Q.Chen,H.Shi,T.Vvarqhese,E.L.Madsen,J.A.Zaqzebski.Normal and shear strain estimation using beam steering on linear array transducersJ.Ultrasound,2006,33(1):576612 Langlois Jocelyn.Use of flexi