论文总字数：19690字

摘 要

伴随着现代工业的迅速发展，压力容器在许多行业都有着广泛的使用，但是压力容器的运行伴随着高温、高压、易爆等环境，所以设备和人身安全需要得到保障，而无损检测技术对压力容器的安全性有很好的的保障，可以对容器内部的缺陷进行检测而对容器本身不会产生损坏。本文基于SH波在钢板中的传播特性，对无损伤和含损伤的板结构进行有限元模型的构建。通过对模型的可视化云图和提取的特征值进行比较，从而分析出SH波检测横/纵向裂纹的可行性。主要内容包括：

(1)采用汉宁窗函数在matlab软件中导出激励信号曲线，并提取出曲线中的坐标数据。

(2)基于Abaqus软件建立无损伤和含裂纹的SH波有限元模型，通过板结构的构建、赋予材料属性(弹性模量E、泊松比μ、材料密度ρ)、分析步设置、网格划分、载荷施加模拟导波的激励。

(3)最后通过分析两种SH波有限元模型，提取导波模型的反射因子进形进一步的研究，分析出SH导波检测裂纹的可行性。

关键词： 压力容器 裂纹 无损检测 SH波

Feasibility study on SH wave detection of transverse/longitudinal cracks in plate structure

Abstract

With the rapid development of modern industry, pressure vessels are widely used in many industries, but the operation of pressure vessels is accompanied by high temperature, high pressure, explosive and other environments, so the safety of equipment and personnel needs to be guaranteed, and nondestructive testing technology has a good guarantee for the safety of pressure vessels, which can detect the internal defects of the vessels but not the vessels themselves Damage can occur. In this paper, based on the propagation characteristics of SH wave in steel plate, the finite element model of non damaged and damaged plate structure is constructed. The feasibility of detecting transverse / longitudinal cracks by SH wave is analyzed by comparing the visual cloud image of the model with the extracted eigenvalues.The main contents include:

(1) Hanning window function is used to derive the excitation signal curve in MATLAB software, and the coordinate data in the curve is extracted.

(2) Based on ABAQUS software, a non-destructive and cracked SH wave finite element model is established. Through the construction of the plate structure, the material properties (elastic modulus E, Poisson's ratio μ, material density ρ), the analysis step setting, mesh division, and load application of simulated guided wave excitation.

(3) Finally, through the analysis of two kinds of SH wave finite element model, the reflection factor of guided wave model is extracted for further study, and the feasibility of SH guided wave crack detection is analyzed.

Keywodrs:Pressure vessel;Crackle;Non destructive testing;SH wave

目录

第一章 绪论 1

1.1 课题的研究背景及意义 1

1.2 基于SH波无损检测的国内外研究现状 1

1.3 研究内容 2

第二章 SH波的理论基础 3

2.1 SH波理论 3

2.2 SH波传播特性 3

2.3 本章小结 4

第三章 无缺陷板状结构中SH波有限元模型 5

3.1 Abaqus软件简介 5

3.2 模型构成及基本参数 5

3.2.1 网格划分 6

3.2.2 参数设置 7

3.3 计算结果与分析 9

3.4 本章小结 12

第四章 含缺陷板状结构中SH波有限元模型 13

4.1 横向裂纹的构建 13

4.2 纵向裂纹的构建 13

4.3 模型构成与基本参数 14

4.3.1 网格划分 14

4.3.2 参数设置 15

4.4 计算结果与分析 16

4.5 本章小结 18

第五章 结论与展望 21

参考文献 23

致谢 27

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

压力容器^[1]是常见的化工容器设备，由许多零部件经焊接组成，其中不乏受压元件，因此令其承受着不同程度的压力，在石油化工、化工、核能、冶金、机械、轻工、纺织、航空、航天、海洋石油工业、医药、食品和城市公用等行业得到了广泛使用。在恶劣的工作环境下，压力容器结构内部往往会发生一定程度的损坏，因此要把国民经济不断地提高上去，让压力容器更好地服务于各个行业，就有必要对其开展无损检测研究，从而确保结构安全。随着科技的不断进步和发展以及对安全的逐渐重视，安全检查的手段也在日益完善。对压力容器安全的检测手段就是无损检测技术。无损检测是一门新兴的学科，发展的历史并不长，但是它随着高科技的东风，发展非常迅速。现如今，压力容器一旦离开了无损检测就不可能有安全生产，可见无损检测在压力容器生产制造过程中占着很重要的地位。

所谓无损检测，只从字面上去理解就是--没有损伤的检测，它基于原容器上不需要拆装任何零部件，对容器没有任何损伤，但是又可以发现容器内部的缺陷。无损检测分为：1、射线检测2、超声波检测3、磁粉检测，涡流检测，着色检测4、声发射检测四大类。其中超声波检测技术作为一种重要的损伤检测手段，具有诸如检测尺寸范围广、灵敏度高以及操作简单等一系列优点。论文面向压力容器板类结构的超声波无损检测研究，开展SH模态^[2]对常见横/纵向裂纹检测的可行性研究，为后续损伤检测研究中的模态选择乃至传感器选型、信号处理方法设计等提供坚实的理论基础。

1.2 基于SH波无损检测的国内外研究现状

Sargent教授在2006年通过实验发现一种导波模态可以沿着板类结构的焊缝传播^[3]，这种导波模态衰减小、能量集中，所以把这种模态的导波称为焊缝特征导波。这种导波的形成是以Scholte研究界面波时提出的“陷波效应”为基础的，后来被Sargent教授解释板类导波实验中焊缝处幅值高于平板中的幅值^[4]。英国帝国理工大学的Z.Fan教授通过导波实验和有限元软件中的模拟仿真，验证了SH导波更适合检测焊缝中的缺陷。SH波时焊缝特征导波中的一种特殊模态，导波的位移偏振方向在激励板面的水平面内，在检测到缺陷发生反射时没有其他模式的转变。因为SH在传播时能量集中、衰减小，所以在焊缝缺陷检测中得到了广泛的应用，对于Lamb波的多模态、多频散，SH导波很好的弥补了这个不足^[5]。

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