從 明，武新軍，孫鵬飛，吳蓮鋒

(1.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430074;2.柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司，廣西柳州 545005)

0 引言

換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門(mén)的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。換熱管作為兩種熱交換物料的媒介，是換熱器的重要部件。由于換熱管受物料沖刷、氣蝕和腐蝕因素等影響，長(zhǎng)期使用會(huì)出現(xiàn)管壁減薄、應(yīng)力腐蝕、點(diǎn)蝕等常見(jiàn)缺陷，給產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全帶來(lái)隱患。因此，換熱管定期檢測(cè)成為研究的熱點(diǎn)。目前，應(yīng)用于換熱管檢測(cè)的方法主要有:旋轉(zhuǎn)超聲法、漏磁法、渦流法等［1－3］，上述方法都需要傳感器穿過(guò)換熱管，存在檢測(cè)效率低，且對(duì)換熱管內(nèi)壁清洗要求高等不足。超聲導(dǎo)波由于具有單點(diǎn)激勵(lì)長(zhǎng)距離檢測(cè)的特點(diǎn)，可在換熱管端部激勵(lì)實(shí)現(xiàn)整管檢測(cè)。該方法具有檢測(cè)速度快、清洗要求低等優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)始應(yīng)用于換熱管檢測(cè)。其中，T(0，1)模態(tài)具有非頻散的特性，在導(dǎo)波檢測(cè)中應(yīng)用較多［4－10］。

有限元軟件ANSYS作為一種數(shù)值模擬方法，已成功應(yīng)用于超聲導(dǎo)波檢測(cè)研究。然而，現(xiàn)有的有限元仿真只能通過(guò)施加位移載荷激勵(lì)扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波，限制了導(dǎo)波技術(shù)在換熱管檢測(cè)中的發(fā)展。近些年，楊理踐等［11－12］基于 ANSYS LS － DYNA顯性動(dòng)力學(xué)模塊，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)波縱向模態(tài)的仿真研究。由于該模塊選用Solid 164單元無(wú)旋轉(zhuǎn)自由度，無(wú)法施加轉(zhuǎn)角或扭矩激勵(lì)出扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波。在此提出在換熱管端部連接剛體，由剛體轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)仿真模型運(yùn)動(dòng)，成功在換熱管中激勵(lì)出T(0，1)模態(tài)的基礎(chǔ)上，利用轉(zhuǎn)角加載和扭矩加載兩種不同的激勵(lì)方式，研究了T(0，1)模態(tài)導(dǎo)波在直管和彎管中的傳播特性，為導(dǎo)波應(yīng)用于換熱管檢測(cè)提供指導(dǎo)。

1 激勵(lì)結(jié)構(gòu)及方法

ANSYS LS－DYNA模塊的優(yōu)勢(shì)在于可實(shí)現(xiàn)多次反射回波分析，利用有限長(zhǎng)管道仿真模擬長(zhǎng)距離導(dǎo)波傳播過(guò)程，減少仿真計(jì)算量。之前的縱向模態(tài)仿真分析中，均是直接在管道端部加載軸向力或位移。然而，Solid 164單元沒(méi)有旋轉(zhuǎn)自由度，無(wú)法直接在管道端部加載轉(zhuǎn)角或扭矩。為此，設(shè)計(jì)了一種新型導(dǎo)波扭轉(zhuǎn)模態(tài)激勵(lì)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。采用Solid 164單元建立換熱管3D仿真模型，在換熱管端部連接一段同心圓環(huán)狀剛體，通過(guò)限制剛體的自由度，使其只能繞換熱管軸線(xiàn)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。在剛體上施加轉(zhuǎn)角載荷或扭矩載荷，由剛體轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)換熱管運(yùn)動(dòng)，間接激勵(lì)出軸對(duì)稱(chēng)扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波。

圖1 扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波激勵(lì)結(jié)構(gòu)

2 建模及仿真結(jié)果分析

2.1 仿真模型建立

為驗(yàn)證該激勵(lì)方法的正確性，首先選用無(wú)缺陷換熱管進(jìn)行仿真試驗(yàn)。換熱管規(guī)格為直徑25 mm，壁厚2.5 mm，標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度 1.5 m 的鋼管，密度7850 kg/m3，彈性模量 210 GPa，泊松比 0.28。使用Solid 164單元建立換熱管幾何模型，掃掠生成網(wǎng)格。為了保證計(jì)算的精度，換熱管周向劃分72等份，單元軸向長(zhǎng)度5 mm。

圖2 環(huán)形刻槽缺陷位置示意

另外，由于換熱管常存在彎管結(jié)構(gòu)，為分析彎管對(duì)扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波缺陷檢測(cè)信號(hào)的影響，文中也研究了T(0，1)模態(tài)導(dǎo)波對(duì)U形換熱管環(huán)形刻槽缺陷的檢測(cè)過(guò)程。U形換熱管的直徑D=25 mm，壁厚 T=2.5 mm，直管部分長(zhǎng)度 L=0.6 m，彎管部分半徑R=0.2 m。設(shè)置在彎管部分的缺陷信息如下:軸向長(zhǎng)度 2.5 mm，徑向深度 0.5 mm，參數(shù)θ(0～180°)進(jìn)行周向定位。與之對(duì)照，選用相同規(guī)格、總長(zhǎng)相等的直管，在直管與U形換熱管等聲程處設(shè)置相同的環(huán)形刻槽缺陷，即:L1=θr，如圖2所示。

2.2 激勵(lì)參數(shù)設(shè)置

在剛體上施加漢寧窗調(diào)制的5個(gè)周期正弦轉(zhuǎn)角載荷或扭矩載荷作為激勵(lì)信號(hào)，由于激勵(lì)信號(hào)能量集中，導(dǎo)波信號(hào)經(jīng)過(guò)彎管等復(fù)雜結(jié)構(gòu)后仍可以長(zhǎng)距離傳播。根據(jù)導(dǎo)波群速度頻散曲線(xiàn)，選定激勵(lì)頻率為50 kHz，導(dǎo)波在該頻率下，除T(0，1)模態(tài)外，其他模態(tài)導(dǎo)波均處于頻散階段，因此可以更好地判斷仿真信號(hào)的模態(tài)。由圖3可以看出，T(0，1)模態(tài)導(dǎo)波在直徑25 mm、壁厚2.5 mm的鋼管中理論波速為3233 m/s。

圖3 導(dǎo)波群速度頻散曲線(xiàn)

扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波只有周向位移，故取接收處所有節(jié)點(diǎn)的周向位移之和作為導(dǎo)波檢測(cè)信號(hào)。

2.3 無(wú)缺陷換熱管的仿真結(jié)果分析

激勵(lì)端部施加不同類(lèi)型的激勵(lì)信號(hào)，模擬T(0，1)模態(tài)導(dǎo)波對(duì)無(wú)缺陷換熱管的檢測(cè)情況。在剛體上施加繞換熱管軸線(xiàn)方向的瞬時(shí)轉(zhuǎn)角載荷，距激勵(lì)端0.5 m處接收仿真信號(hào)，見(jiàn)圖4。

圖4 轉(zhuǎn)角－扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波仿真信號(hào)

由圖4的時(shí)間位移曲線(xiàn)，可以明顯看出通過(guò)信號(hào)和端部回波信號(hào)。隨著傳播距離增加，信號(hào)幅值逐漸減小，導(dǎo)波在傳播過(guò)程中發(fā)生衰減，但無(wú)頻散現(xiàn)象。通過(guò)信號(hào)和第一次端部回波信號(hào)的時(shí)間間隔為0.621 ms，傳播2 m，計(jì)算可得該波波速為3221 m/s，接近理論波速，說(shuō)明通過(guò)在激勵(lì)端施加轉(zhuǎn)角載荷可以激勵(lì)出T(0，1)模態(tài)導(dǎo)波。

在不改變其他仿真參數(shù)的條件下，在剛體上施如圖1所示瞬時(shí)扭矩載荷，距激勵(lì)端0.5 m處接收仿真信號(hào)，如圖5所示。

圖5 扭矩－扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波仿真信號(hào)

圖5的時(shí)間—位移曲線(xiàn)中，通過(guò)信號(hào)和第一次端部回波信號(hào)的時(shí)間間隔為0.623 ms，傳播2 m，計(jì)算可得該波波速為3210 m/s，接近理論波速，同時(shí)仿真信號(hào)無(wú)頻散現(xiàn)象，說(shuō)明通過(guò)在激勵(lì)端施加扭矩載荷也可以激勵(lì)出T(0，1)模態(tài)導(dǎo)波。

因此，通過(guò)剛體在換熱管激勵(lì)端施加轉(zhuǎn)角或扭矩載荷都可以激勵(lì)出T(0，1)模態(tài)導(dǎo)波，很好地驗(yàn)證了前文提出的扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波激勵(lì)方法的正確性。

2.4 環(huán)形缺陷換熱管檢測(cè)的仿真分析

建立如圖2所示的帶環(huán)形刻槽缺陷的直管和U形換熱管仿真模型，圖中距離激勵(lì)處T較近的端部為近端部(A端)，反之為遠(yuǎn)端部(B端)。采用上述激勵(lì)方法，在剛體上施加瞬時(shí)扭矩載荷激勵(lì)T(0，1)模態(tài)導(dǎo)波。激勵(lì)頻率50 kHz，接收位置距激勵(lì)端0.5 m。圖6，7分別示出直管和U形換熱管的缺陷檢測(cè)信號(hào)，接收處R先后接收到通過(guò)信號(hào)、缺陷一次回波、缺陷二次回波、第一次端部回波和第二次端部回波。其中，通過(guò)信號(hào)是導(dǎo)波直接經(jīng)過(guò)R處時(shí)接收的信號(hào);缺陷一次回波是通過(guò)信號(hào)經(jīng)過(guò)缺陷反射的信號(hào);缺陷二次回波是缺陷一次回波經(jīng)過(guò)A端反射的信號(hào);第一次端部回波是導(dǎo)波信號(hào)經(jīng)過(guò)B端反射的信號(hào);第二次端部回波是第一次端部回波經(jīng)過(guò)A端反射的信號(hào)。

圖6 L1=0.314 m環(huán)形刻槽缺陷的檢測(cè)信號(hào)

圖7 θ=90°環(huán)形刻槽缺陷的檢測(cè)信號(hào)

由圖6的時(shí)間—位移曲線(xiàn)可以看出，通過(guò)信號(hào)與第一次端部回波信號(hào)的時(shí)間間隔為0.825 m/s，導(dǎo)波傳播2.656 m，計(jì)算可得該波的平均波速為3219 m/s，接近理論波速。推斷出缺陷位置距激勵(lì)端0.924 m，與實(shí)際位置0.914 m僅相差10 mm，缺陷定位準(zhǔn)確。

由于空心圓柱體的頻散曲線(xiàn)只適用于直管，彎管無(wú)法求得解析解。一般由通過(guò)信號(hào)和第一次端部回波信號(hào)計(jì)算T(0，1)模態(tài)導(dǎo)波在彎管中群速度的均值。由此，計(jì)算可知圖7中仿真信號(hào)的平均波速為3192 m/s，與直管中理論波速3233 m/s存在差異。根據(jù)仿真信號(hào)計(jì)算出缺陷位置距激勵(lì)端 0.909 m，對(duì)應(yīng) θ=88.57°，與實(shí)際位置僅相差1.43°，缺陷定位準(zhǔn)確。

對(duì)比圖6，7中的時(shí)間—位移曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)在通過(guò)信號(hào)與第一次端部回波信號(hào)之間，導(dǎo)波信號(hào)經(jīng)過(guò)彎管段時(shí)出現(xiàn)幅值上的波動(dòng)，但不影響對(duì)缺陷的定位。

為了進(jìn)一步研究彎管對(duì)缺陷定量的影響，改變環(huán)形刻槽的位置，參數(shù) θ由30°逐步增大到150°，Δθ=30°，同時(shí)改變直管中 L1值，保證直管和U形換熱管的缺陷距離激勵(lì)端長(zhǎng)度相等，即滿(mǎn)足L1=θr。比較直管和U形換熱管的缺陷一次回波信號(hào)衰減曲線(xiàn)(DAC)，如圖8所示。

圖8 不同位置缺陷一次回波信號(hào)峰值比較

由圖8可以看出，缺陷位于彎管部分引起的信號(hào)幅值衰減明顯大于直管部分，說(shuō)明導(dǎo)波信號(hào)通過(guò)彎管的能量損失更大。因此缺陷位置未知時(shí)，對(duì)U形換熱管進(jìn)行T(0，1)模態(tài)導(dǎo)波檢測(cè)，可以精確定位缺陷位置，但不能根據(jù)缺陷回波信號(hào)的幅值(反射系數(shù))判斷缺陷的大小，需要單獨(dú)考慮彎管對(duì)導(dǎo)波檢測(cè)信號(hào)的影響。

3 結(jié)論

針對(duì)ANSYS中Solid 164單元因無(wú)旋轉(zhuǎn)自由度的不足，提出由剛體轉(zhuǎn)動(dòng)間接激勵(lì)扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波的方法。采用兩種不同的激勵(lì)方式——轉(zhuǎn)角加載和扭矩加載，可在換熱管中激勵(lì)出扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波T(0，1)。同時(shí)還進(jìn)一步研究了T(0，1)模態(tài)導(dǎo)波對(duì)U形換熱管環(huán)形刻槽缺陷的檢測(cè)情況，發(fā)現(xiàn)仿真信號(hào)對(duì)缺陷定位準(zhǔn)確，但由于導(dǎo)波信號(hào)在彎管和直管的衰減速率不同，因此對(duì)彎管處及彎管之后的缺陷大小進(jìn)行定量時(shí)，需要單獨(dú)考慮導(dǎo)波在彎管段的衰減。

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