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螺旋波纹管模型的数值仿真

[来源:原创] [作者:bwg163.com] [日期:13-07-26] [热度:]
关键词标签:螺旋波纹管

螺旋波纹管模型的数值仿真

    Abaqus是一套功能强大的工程模拟的有限元软件,其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题,在波动力学研究领域得到了普遍认可。

1.模型建立

    Abaqus/CAEAbaqus的交互图形环境,可以用来方便快捷地构造模型,显示分析结果。采用Abaqus自带的螺旋命令来构建螺旋波纹管的计算模型。螺纹管外直径为25~,壁厚为1~,轴向长度为1 100 mm,螺距为10 mm,波高为0.5 mm。材料的密度为7 900kg/m3,弹性模量为210 GPa,泊松比为0.285

2.仿真计算

    仿真计算采用波动力学通用的AbaqusBxplicit显式积分求解器。载荷施加在螺旋波纹管的一个端面,载荷强度随时间的变化规律为经Harming窗调制的20个振荡周期的正弦波,中心频率为240kHz;载荷强度在加载面内均匀分布,边界条件自由。由于螺旋波纹管这类具有复杂外壁结构的管结构无法使用六面体单元网格,因此采用四面体单元对螺旋波纹管有限元模型进行自由网格化分。为保证显式积分求解的收敛性和稳定性,网格尺寸一般应小于波长的1/10,时间增益步长应小于网格尺寸与波速的比值,而L(0,2)模态超声导波在频率为240 kHz时的波长为22.8mm,故网格尺寸定为1 mm,时间增益步长定为10的负7次方,计算总时长为1 ms。仿真结果的输出节点位于加载平面内,用于模拟脉冲回波法进行检测的试验条件。而后在螺旋波纹管模型上增加一个环向裂纹缺陷,该裂纹贯穿管壁,其环向长度为10 mm,轴向宽度为1 mm,裂纹中心距激励端790 mm

    螺旋波纹管中主要传播L(0, 2)模态导波。但在仿真结果中,除了L(0, 2)模态端面回波,还出现了许多杂波包,这一方面是由于螺旋波纹的存在对导波的传播特性有些细微的影响,因为波纹管相对于直管而言,在求解频散方程的过程中,最大的不同是由于表面应力自由的边界条件表达式随着波纹的起伏而略有调整,描述波纹的结构参数被引入到频散方程中,使得各模态导波的相速度和群速度频散曲线发生了少量的偏移。另一方面,也是最主要方面,是由于Abaqus仿真软件在网格化分时有重叠和不连续的区域,使导波

在传播过程中发生了模态转换现象,使得接收波形出现了许多不应该出现的波包。解决的方法主要有两种,一是进一步减小网格尺寸,使得划分单元时能够更好地吻合波纹形貌:二是选用多结点修正的二次四面体单元来提高计算精度。这些工作将在后续研究中开展。

    从结果可以看出,在第一次端面回波之前出现了缺陷回波,读取回波到达时间即可确定缺陷的轴向位置。

    以上数值仿真的计算结果表明,采用中心频率为240 kHz的窄带脉冲信号能够在螺旋波纹管中激励L(0, 2)模态超声导波,并且能够实现裂纹缺陷轴向定位。仿真结果为螺旋波纹管检测的试验研究奠定了基础。