[发明专利]一种用于金属圆管微损伤评价的非线性扭转模态超声导波方法

说明书

本发明公开了一种用于金属圆管微损伤评价的非线性扭转模态超声导波方法，通过激励换能器在圆管中激励出单一的扭转模态超声导波，扭转模态导波在圆管中传播时，与圆管的微损伤相互作用产生具有累积效应的三次谐波，通过接收换能器，接收基频信号和由于管道微损伤而产生的三次谐波。获取基频信号的幅值A₁和三次谐波幅值A₃，计算等效三阶非线性声参量γ'，实现对圆管结构微损伤的非线性超声导波评价。本发明采用的非线性扭转模态导波在频散曲线上任一点都具有三次谐波累积效应，克服了非线性纵向模态导波只在频散曲线某些点上具有累积效应的限制。实现了对圆管构件/材料的损伤状态进行有效的检测和评价，且检测速度快、检测成本低、检测准确度高。

技术领域

本发明涉及一种金属圆管微损伤评价的方法，具体涉及一种对金属圆管微损伤评价的非线性扭转模态超声导波方法。

背景技术

金属圆管结构在各行各业都有着广泛的应用，如石油管道、地埋水管等。这些圆管结构在实际使用过程中，容易受到多种外界因素的作用。圆管结构在这些外界因素长时间反复作用下，一般会出现材料性能退化、微裂纹产生、裂纹扩展和结构断裂阶段。研究表明，材料的性能退化和微裂纹的产生阶段占结构寿命周期的比重很大，如对于疲劳损伤，性能退化和微裂纹等微观损伤阶段将占到结构寿命的80％-90％。因此，为有效地预防结构失效，防止结构断裂造成重大事故，对金属圆管结构的微观损伤进行有效地检测和评价就显得尤为必要和紧迫。

传统超声检测方法通过检测材料或结构中的声速、声衰减和声阻抗等信息来评估材料的损伤状态，能够有效地评价材料或结构的诸如裂纹、孔洞、夹杂物等宏观缺陷，但对结构的早期力学性能退化却不敏感，不能检测结构微观损伤。

近年来，大量的理论和实验研究表明，非线性超声能够克服传统线性超声对微观不敏感的缺点，其对材料或结构的早期性能退化更具敏感性，能够有效地检测和评价结构的微观损伤。

超声导波可以对被检测结构进行大面积、快速、整体检测。这种检测方法既可以检测试样表面缺陷，也可以对试样内部损伤进行检测与评估。导波检测技术也是一种可以对结构件中不可达或隐蔽区域进行检测的有效方法。另外，导波因其灵活的激发和检测方式，且能携带大量检测所需信息，被作为一种有效检测手段被广泛应用。在管道中，导波的能量可以随管道结构长距离、快速传播而很少扩散。因此，圆管结构被认为最适合使用导波检测的结构之一。非线性超声导波结合了非线性超声对微观损伤敏感和超声导波快速、高效检测方式的优点，是一种非常有前景的检测方法。中国专利：CN 102866202 A提出了一种金属圆管结构微损伤检测的非线性周向模态导波方法。中国专利：CN 103969339 A公布了一种管道结构微损伤的非线性超声检测和评价方法，利用了非线性超声纵向模态导波的方法。这两个专利中，虽然用的都是非线性超声导波的方法，但是选用的超声模态是周向模态或者纵向模态。这两种模态要在结构中产生累积二次谐波，必须满足相速度匹配条件(基频和二谐波相速度相等)。由于满足相速度匹配条件的基频模态点数量有限并且离散地分布在频散曲线上，使得中国专利：CN 102866202 A和中国专利：CN 103969339 A中提出的方法有许多不足，在使用过程受到诸多限制。

发明内容

针对现有技术中所存在的不足，本发明提出了一种利用非线性超声扭转模态导波产生的三次谐波效应对圆管结构的微损伤进行检测和评价的方法，可快速地、有效地检测和评价金属圆管的早期损伤状态，为金属圆管的安全使用提供可靠依据。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种用于金属圆管微损伤评价的非线性扭转模态超声导波方法，包括以下步骤：

S1、根据待测金属圆管试件的物理参数和几何参数，计算出扭转模态的相速度频散曲线；

S2、根据所得的相速度频散曲线，选择相应的基频扭转模态和激发频率；