缺陷，李隆涛利用语言开发了基于二次开发的直管道缺陷模拟检测系统，并利用此系统研究了,模态导波对管道上的裂纹缺陷的检测，获得了对管道上的缺陷进行周向和轴向定位的方法。南京理工大学许伯强,他得安,黄瑞菊等介绍了有限元边界元等数值模拟方法在超声导波中的应用。第页共页超声导波技术基础超声导波的基本概念在无限均匀介质中传播的波称为体波，体波有两种种叫做纵波或称疏密波无旋波拉压波波种叫做横波或称剪切波波，它们以各自的特征速度传播而无波形耦合。而在弹性半空间表面处，或两个弹性半空间表面处，由于介质性质的不连续性，超声波将经受次反射或透射而发生波形转换。随后，各种类型的反射波和透射波及交界面波均以各自恒定的速度传播，而传播速度只与介质材料密度和弹性性质有关，不依赖于波动本身的特性。然而当介质中有个以上的交界面存在时，就会形成些具有定厚度的层。位于层中的超声波将要经受多次来回反射，这些往返的波将会产生复杂的波形转换且波之间发生复杂的干涉。若个弹性半空间被平行于表面的另个平面所截，从而使其厚度方向成为有界的，这就构成了个无限延伸的弹性平板。位于板内的纵波横波将会在两个平行的边界上产生来回的反射而沿平行板面的方向行进，即平行的边界制导超声波在板内传播。这样的个系统称为平板超声波导。在此板状波导中传播的超声波即所谓的板波或波。波是超声无损检测中最常用的种导波形式，由世纪初先生研究无限大板中正弦波问题而得名。除此之外，圆柱壳棒及层状的弹性体都是典型的波导。其共同特性是由两个或更多的平行界面存在而引入个或多个特征尺寸如壁厚直径厚度等到问题中来。在波导中传播的超声波称为超声导波。在圆柱和圆柱壳中传播的导波称为柱面导波。超声导波的主要特性群速度与相速度群速度与相速度是导波理论中两个最基本的概念，所谓群速度是指脉冲波的包络上具有种特性如幅值最大的点的传播速度，它是波群的能量传播速度。通俗的说，群速度是关于组频率相近的波的传播速度。而相速度是波上相位固定的点传播方向的传播速度。值得注意的是，导波以其群速度向前传播。如图，波形为弹性波在传播定距离时得到的个导波波形。波形为传播距离加大第页共页后得到的个导波波形。比较两图，图中包络明显向后移动了段时间，两个波形的等相位点这里将其视为固定波形的过零点相差的时间为。在工程上，就可以借此粗略地估计这种模式导波在图所示。图群速度与相速度关系超声波频率附近的群速度和相速度为导波群速度大并不代表其相速度大反之，导波的相速度大也不意味着其群速度大。根据群速度经典定义以及有利用，第三个等式可以写作这就是群速度与相速度的关系。其中为群速度，为相速度，为频率厚度积，为导波的频率，为测试件的厚度。对于板而言，为板的厚度而第页共页对于圆管，为管的壁厚。导波的多模态性及频散现象体波和导波最大的区别就在于导波是频散的，而且在定的频率有不只种模态。这些导波的特性取决于加载条件和波导的形状。图为内半径壁厚钢管的频散曲线，每条曲线对应着个导波模态。从图中可以看出，在任频率下至少存在两个以上的导波模态并且随着频率的增加导波模态数迅速增加，这就是导波的多模态现象。在理想的情况下，希望在波导中仅产生单模态的波，若导波遇到缺陷产生反射，所得到的回波将较为容易分析。多模态的存在大大增加了导波技术应用于无损检测的复杂性。图内半径壁厚钢管的频散曲线在任频率厚度积下至少存在两个以上的导波模态，并且随着频率厚度积的增加导波模态数迅速增加，这就是导波的多模态现象。多模态的存在使得问题更加复杂。在低频厚积的情况下至少存在两个模态，并且随着频厚积的增长，会产生更多的模态。即使激励了单模态的超声导波，在边界或其他不连续处如缺陷也要发生模态转换。因此，接收到的信号通常包含两个或两个以上的模态，进行多模态的信号处理是必然的。当超声导波在板杆或管道等波导中传播时，由于受到波导几何尺寸的影响，使得在波导中传播的超声波的速度依赖其频率，从而导致超声波的几何弥散，也就是说，导波中相速度随频率的不同而改变，这种现象称之为频散现象。频散分为物理频散和几何频散，化而变化对于纵向，模态的导波，在相当宽的频带内，该模式是非频散的，且其群速度最大除了，模态和，模态以外，其它的模态均存在截止频率，即小于频率时，此类模态并不出现在频率处，会同时产生两个或两个以上模态，但各个模态的群速度各不相同不同模态的波，其频散程度不同，而同模态在不同的频率范围，其频散程度也不同。周向导波基本理论图空心圆管周向导波示意图在无限均匀各向同性弹性介质中，只存在两种超声波纵波和横波，二者分别以各自的特征速度传播而无波型耦合。在有限尺寸波导如管道中传播的纵波第页共页和横波由于受到边界的制约以及在边界处发生不断的模态转换，将在波导内产生导波。沿管道圆周方向传播的导波称为周向导波。对于无外力无填充物的空心圆管在分析沿圆管方向传播的导波时，其边界条件为在空心圆管内外面上应力为零。按照图所示的坐标系，不考虑坐标，即为当和时这里所分析的空心圆管为线弹性各向同性材料构成，因此根据虎克定律，其应力分量可以写为根据弹性力学知识，在空心圆管无体力的情况下，其波动方程为在角坐标系下，以标势和矢势表示位移为将代入得到变换后的波动方程对于沿圆周方向传播的波，势函数可以写为第页共页,将代入可以得到为方程，因此其解为式中,为阶的第第二函数。和为常数，可通过边界条件来确定。将代入得到结果再代入，将变换后的代入再联立边界条件得到方程组当为非零时上方程有意义。根据线性代数可知，若要有非零解，则系数行列式应为零，即,其中,是关于波数频率和形状参数的矩阵。式即为空心圆管中周向导波的频散方程，该方程为超越方程，无法得到解析解的形式，只能通过数值计算的方法求解。第页共页频散曲线的数值计算图相速度群速度频散曲线图为数值计算求解得到的空心圆管周向导波的相速度群速度频散曲线。因为空心圆管中曲率的存在，无法像在板中那样严格地区分出对称和反对称导波模态，所以图中的导波模态仅以数字标出加以区分。从图中可以看出，除模态以外，其他模态均有截止频率也就是说，在模态的截止频率以下，理论上只会产生模态，其他各个模态并不出现同时在模态截止频率以下应仅产生和两种导波模态在频率处，会同时产生两个或两个以上模态，但各个模态的相群速度各不相同各个模态都存在频散现象，即相群速度随频率的变化而变化，有的模态在不同频率处速度相差以上在低频段，模态速度最快。空心管导波模态分析圆管中导波模态的理论结果可以用其群速度频散曲线来表示，对空心圆管中的导波模态进行分析，可以选择出适合管道裂纹检测的模态以及感兴趣的频率范围，从而对数值模拟和实验研究进行指导。图所示为数值计算出的外径，壁厚空心圆管群速度频散曲线另方面，其径向轴向位移的分布对于数值模拟和实验的指导也是至关重要的，在分析各模态时并讨论。模态第页共页图外径为壁厚为的空心圆管频散曲线图内径壁厚钢管模态频散曲线图模态导波沿管壁位移分布图显示了各模态导波频散曲线。在图中可看出，当频率范围较低时，第页共页只出现，和，模态导波。由于导波沿管道传播，在整个壁厚范围都引起相应振动，但对于不同的模态，其沿壁厚的质点振动位移是不同的，选用导波进行管道检测，当然希望所选用的导波模态在传播的过程中沿壁厚的位移分布是致的，这样，不仅可检测管道表面缺陷，而且对管道厚度方向中的缺陷同样敏感。因此应考察各导波模念沿壁厚的位移分布。从图可以看出对于，模态的导波，取值不同对应不同模态导波，而各模态导波频散程度也不同同模态在不同的频率范围，其频散程度不同对于轴对称，模式的导波，在相当宽的频带内，该模式是非频散的，且其群速度最大图分别为，与，导波模态沿壁厚的位移分布。从图可以看出轴对称，模式，在频率约为时，在管的内外表面的轴向位移相对较大，由于轴向位移分量对于探测圆周向裂纹的灵敏度起决定作用，因此该模态对于任何圆周位置的内外表面缺陷具有相同的灵敏度，利于检测内外表面及管壁中的缺陷而内外表面的径向位移，在整个壁厚方向的值都相对较小，则波在传播过程中能量泄漏现象相对较少，传播距离相对较大。而轴对称，模式恰恰相反，在频率约为时，管内外表面的径向位移相对较大且同向，而内外表面的轴向位移相对较小且反向，并且壁厚内存在零位移。因此该模式对表面深度较浅的周向裂纹较敏感。模态第页共页图内径壁厚钢管模态频散曲线图模态导波沿管壁位移分布图显示了各模态导波频散曲线，图分别为，与，导波模态沿壁厚的位移分布，分别分析如下从模态的频散曲线可看出，在范围内，各，模态较之，模态，其频散现象更为明显模态的轴向位移沿壁厚方向分布不均匀，并且内外表面的轴向位移相反，对于沿管壁不同位置的周向缺陷的灵敏度不同。，模态在外表面的轴向位移要明显地小于在内表面的轴向位移，意即在内外表面的检测灵敏度不相同。，模态的轴向位移沿管道壁厚分布较为均匀。