تحقیق در مورد آزمایش های غیر مخرب فولاد زاویه ای در برج های انتقال نیرو

ارزیابی یکپارچگی سازه در زیرساخت های حیاتی, به خصوص برج های شبکه خطوط انتقال فشار قوی که عمدتاً از مقاطع فولادی زاویه دار ساخته شده اند., چالش های مهندسی عمیق و مداوم را ارائه می دهد. این برج ها در معرض بی امان قرار می گیرند, رژیم های بارگذاری پیچیده - از جمله وزن استاتیک, نیروهای باد پویا, نوسانات حرارتی, و فعالیت های لرزه ای - همه به شروع و انتشار نقص های موضعی کمک می کنند, به طور عمده ترک های خستگی و از دست دادن مواد ناشی از خوردگی, اغلب در اتصالات جوشی یا پیچ و مهره ای حساس متمرکز می شود. آزمایش غیر مخرب سنتی (NDT) روش ها, مانند آزمایش دستی اولتراسونیک یا بازرسی ذرات مغناطیسی, اغلب به شدت کند هستند, پرهزینه, و ذاتاً محلی است, نیاز به داربست یا دسترسی طناب گسترده برای بازرسی در هزاران بخش زاویه ای شامل یک برج واحد. ظهور تست امواج هدایت شده اولتراسونیک (روده) یک تغییر پارادایم در این زمینه ارائه می دهد, دوربرد امیدوار کننده, قابلیت غربالگری با سرعت بالا. با این حال, ترجمه مزایای نظری GWUT به یک قابل اعتماد, روش بازرسی میدانی برای هندسه پیچیده یک مقطع فولادی زاویه (L-پروفایل) نیاز به بهینه سازی دقیق دارد, تمرکز اصلی آن انتخاب و اصلاح فرکانس تحریک بهینه از طریق تکنیک های شبیه سازی عددی پیشرفته است..

مبانی نظری اولتراسونیک موج هدایت شده در فولاد زاویه

امواج هدایت شده, برخلاف امواج اولتراسونیک حجیم, در امتداد مرزهای یک سازه حرکت کنید, با هندسه آن هدایت می شود. این توانایی برای انتشار در فواصل طولانی با حداقل تضعیف، چیزی است که به GWUT قدرت غربالگری دوربرد خود می دهد.. با این حال, پیچیدگی GWUT با این واقعیت شروع می شود که این امواج هستند چند وجهی و پراکنده.

1. ماهیت و پراکندگی چند وجهی

برای یک ساختار ساده مانند لوله یا صفحه, امواج هدایت شده معمولا به دسته بندی می شوند پیچشی (تی), طولی (L), و خمشی (اف) حالت ها, هر کدام با سرعت متفاوتی منتشر می شوند و دارای مشخصات جابجایی منحصر به فرد هستند. هنگام برخورد با مجتمع, هندسه غیر متقارن یک مقطع فولادی زاویه ای - یک پروفیل L که با دو صفحه متقاطع مشخص می شود (پاها) و یک گوشه تیز - طبقه بندی حالت ها به طور قابل توجهی پیچیده تر می شود. حالت ها دیگر به طور تمیز قابل تفکیک نیستند به عنوان T, L, یا اف; بلکه, آنها پیچیده هستند بره مانند حالت هایی که جفت می شوند و در دو پا با هم تعامل دارند. میدان های جابجایی بسیار نامتقارن می شوند, توزیع انرژی در سطوح صاف و تمرکز فشار در فیله گوشه.

بسیار مهم است, این حالت ها هستند پراکنده, به معنی سرعت انتشار آنها ( $v_{\text{p}}$ یا $v_{\text{g}}$ ) تابعی از فرکانس تحریک است ( $f$ ). این پراکندگی چالش فنی اصلی در GWUT است, به ویژه برای بازرسی طولانی مدت. اگر یک بسته موج دارای طیف وسیعی از فرکانس ها باشد, اجزای مختلف با سرعت های مختلف حرکت می کنند, باعث می شود سیگنال به موقع پخش شود (گسترش زمانی) و کاهش پیک انرژی پژواک برگشتی, که حساسیت و برد تشخیص عیب را به شدت به خطر می اندازد. چالش بهینه سازی, بنابراین, شناسایی یک فرکانس یا باند فرکانسی باریک که در آن پراکندگی حداقل است - منطقه ای که اغلب به عنوان a شناخته می شود پنجره غیر پراکنده یا منطقه ای که در آن سرعت گروه ( $v_{\text{g}}$ ) منحنی نسبتا صاف است.

2. نقش بحرانی فرکانس تحریک

انتخاب فرکانس تحریک حیاتی ترین پارامتر در طراحی یک سیستم GWUT برای فولاد زاویه است, زیرا مستقیماً بر سه عامل رقیب تأثیر می گذارد:

انتخاب حالت و وجود: حالت‌های موج هدایت‌شونده خاص فقط در فرآورده‌های فرکانس ضخامت خاصی وجود دارند یا به طور موثر برانگیخته می‌شوند ( $f \cdot d$ ) محدوده ها. فرکانس انتخاب شده باید حالتی را تحریک کند که به نوع نقص مورد انتظار حساس است (به عنوان مثال, حالتی با اجزای تنش برشی بالا در نزدیکی گوشه برای ترک های خستگی).
مدیریت پراکندگی: فرکانس باید طوری انتخاب شود که در یک رژیم شبه غیر پراکنده عمل کند تا فاصله انتشار به حداکثر برسد و پیچیدگی سیگنال به حداقل برسد..
تضعیف و حساسیت: فرکانس های بالاتر معمولاً وضوح نقص بهتری را ارائه می دهند (طول موج کوتاه تر $\lambda$ ) اما به دلیل پراکندگی مواد و نشت انرژی از میرایی بیشتر رنج می برند, محدوده محدود کننده. برعکس, فرکانس‌های پایین‌تر بیشتر حرکت می‌کنند، اما ممکن است وضوح مکانی نداشته باشند ( $\lambda/2$ قانون سرانگشتی) برای تشخیص ترک های خستگی کوچک مورد نیاز است.

تعامل پیچیده بین این عوامل یک رویکرد سیستماتیک با استفاده از شبیه سازی عددی را ضروری می کند - به ویژه روش اجزای محدود (FEM) و المان محدود نیمه تحلیلی (ایمن) روش- مدل‌سازی انتشار موج در هندسه فولادی زاویه قبل از انجام آزمایش‌های فیزیکی گران قیمت.

روش شبیه سازی عددی: ویژگی های حالت باز کردن قفل

با توجه به هزینه و پیچیدگی زیاد آزمایش فیزیکی تعداد بی نهایت ترکیب فرکانس بر روی فولاد زاویه, شبیه سازی عددی چارچوب ضروری پیش غربالگری و بهینه سازی را فراهم می کند.

1. روش ایمن برای منحنی های پراکندگی

اولین قدم درک قطعی ویژگی های پراکندگی پروفیل فولادی زاویه است. را المان محدود نیمه تحلیلی (ایمن) روش استاندارد صنعت برای این کار است. برخلاف FEM کامل سه بعدی, SAFE مقطع پیچیده 2 بعدی پروفیل L را با استفاده از عناصر محدود استاندارد مدل می کند, در حالی که انتشار بی نهایت را در سوم فرض می کنیم (طولی) جهت. با حل معادلات موج در حوزه فرکانس, روش SAFE به طور موثری جامع را تولید می کند منحنی های پراکندگی- نمودارهایی که سرعت فاز را نشان می دهند ( $v_{\text{p}}$ ) و سرعت گروهی ( $v_{\text{g}}$ ) در مقابل فرکانس ( $f$ ) برای تمام حالت های موج هدایت شده ممکن.

خروجی تجزیه و تحلیل SAFE برای یک مقطع فولادی زاویه (به عنوان مثال, $L100 \times 100 \times 10$ زاویه فولادی با $10 \text{ mm}$ ضخامت) تعیین کننده است:

شناسایی حالت های غیر پراکنده: مهندس جستجو می کند $v_{\text{g}}$ منحنی برای مناطقی که شیب نزدیک به صفر است, نشان دهنده سرعت پایدار گروه و حداکثر انسجام سیگنال است. این فرکانس ها به کاندیدای اولیه برای بهینه سازی تبدیل می شوند.
انتخاب حالت برای حساسیت: روش SAFE نیز فراهم می کند شکل های حالت (پروفایل های جابجایی و تنش) برای هر حالت در فرکانس های کاندید. به عنوان مثال, اگر نگرانی اصلی نقص، ترک خستگی گوشه باشد, مهندس باید حالتی را انتخاب کند که جزء تنش برشی آن باشد ( $T_{\text{xz}}$ یا $T_{\text{yz}}$ ) به شدت در شعاع داخلی یا فیله گوشه متمرکز است. حالت هایی که عمدتاً در مرکز پاهای صاف متمرکز شده اند، نسبت به نقص گوشه حساس نیستند..

2. FEM سه بعدی کامل برای اعتبارسنجی فرکانس و تعامل نقص

زمانی که روش SAFE میدان را به چند فرکانس بهینه محدود کرد (به عنوان مثال, $50 \text{ kHz}$ , $75 \text{ kHz}$ , $100 \text{ kHz}$ ), کامل 3D روش اجزای محدود (FEM) شبیه سازی برای تایید بازده تحریک مورد نیاز است, محدوده انتشار, و از همه مهمتر, تعامل با نقص های واقع بینانه.

ساخت مدل: یک مدل دینامیک گذرا در نرم افزار ایجاد می شود (به عنوان مثال, $\text{ABAQUS}$ یا $\text{PZFlex}$ ) با استفاده از مرزهای جذب (به عنوان مثال, لایه های کاملا منطبق, $\text{PML}$ ) برای شبیه سازی یک ساختار بی نهایت طولانی, جلوگیری از بازتاب های ناخواسته از انتهای مدل. یک نقص واقع بینانه (به عنوان مثال, بوها $5 \text{ mm}$ شکاف عمیق شبیه‌سازی یک ترک خستگی در فیله گوشه) معرفی می شود.
سیگنال تحریک: ورودی معمولاً یک صدای پشت سر هم پنجره ای است (به عنوان مثال, $5$ -سینوسی پنجره دار چرخه هانینگ) در فرکانس کاندید.
تجزیه و تحلیل و بهینه سازی: شبیه سازی FEM تجزیه و تحلیل حوزه زمان را ارائه می دهد, تولید سیگنال اسکن A دریافت شده توسط حسگرهای مجازی در طول ساختار. مهندس مقایسه می کند نسبت سیگنال به نویز (SNR) پژواک نقص در سراسر فرکانس های کاندید. فرکانس بهینه فرکانس است که بالاترین را تولید کند $\text{SNR}$ برای نقص با حداقل اندازه قابل تشخیص, در حالی که سطح سیگنال پایه قابل قبولی را پس از یک فاصله انتشار طولانی حفظ می کند (به عنوان مثال, $10 \text{ meters}$ ). این شبیه‌سازی مستقیماً پیش‌بینی حساسیت حاصل از اشکال حالت SAFE را تأیید می‌کند و تلفات پراکندگی هندسی را که روش SAFE به طور کامل نشان نمی‌دهد، محاسبه می‌کند..

این فرآیند عددی دو مرحله ای، اولیه را تبدیل می کند, مشکل بسیار پیچیده در یک فضای طراحی آزمایشی قابل مدیریت, حرکت از مجموعه ای بی نهایت از امکانات به چند گزینه فرکانس به شدت آزمایش شده.

تایید و بهینه سازی تجربی: آزمون نهایی

نتایج شبیه‌سازی عددی باید از طریق آزمایش عملی بر روی نمونه‌های فولادی زاویه‌دار واقعی تأیید شود., با تشخیص این که شرایط ایده آل مدل کامپیوتری به طور کامل زبری سطح را در نظر نمی گیرد, تنش های پسماند, یا تنوع مواد واقعی.

1. انتخاب مبدل و کوپلینگ

کاربرد عملی GWUT بر تبدیل کارآمد انرژی الکتریکی به انرژی موج مکانیکی متکی است. برای فولاد زاویه, تخصصی مبدل های صوتی الکترومغناطیسی ( $\text{EMATs}$ ) یا با قدرت بالا مبدل های پیزوالکتریک ( $\text{PZTs}$ ) مورد نیاز هستند.

چالش های PZT: $\text{PZTs}$ نیاز به کوپلینگ صوتی (ژل یا گریس) و باید به دقت شکل یا چیده شود تا با گوشه یا سطوح صاف پروفیل L مطابقت داشته باشد.. این پیچیدگی تغییرات جفت را معرفی می کند, منبع اصلی نویز میدان و ناسازگاری سیگنال است.
مزایای EMAT: $\text{EMATs}$ می تواند امواج هدایت شده را بدون تماس مستقیم یا محیط جفت تحریک کند, آنها را برای خشن ایده آل می کند, نقاشی شده, یا فولاد برج خورده. آنها با القای نیروهای لورنتس در فولاد کار می کنند, که روشی ویژه برای تحریک حالت های خاص است. طراحی از $\text{EMAT}$ سیم پیچ (به عنوان مثال, سیم پیچ پیچ در پیچ, سیم پیچ مارپیچی) ذاتاً به فرکانس بهینه مرتبط است, همانطور که گام سیم پیچ طول موج برانگیخته را دیکته می کند ( $\lambda$ ). فرکانس باید با طول موج مورد نیاز مطابقت داشته باشد ( $\lambda = v_{\text{phase}}/f$ ) برای تولید حالت کارآمد.

2. تست جاروب فرکانس و تفسیر داده ها

یک جامع تست جاروب فرکانس بر روی یک نمونه فولادی زاویه دار در مقیاس کامل که حاوی از پیش ماشینکاری شده است انجام می شود, عیوب معرف با اندازه و مکان متفاوت (به عنوان مثال, ترک های گوشه ای, نقص سطح پا).

رویه: سیستم با انفجارهای تن بهینه شناسایی شده از $\text{FEM}$ نتایج (به عنوان مثال, $50 \text{ kHz}, 75 \text{ kHz}, 100 \text{ kHz}$ ) و سیگنال های دریافتی با هم مقایسه می شوند.
تجزیه و تحلیل زمان-فرکانس: به دلیل پراکندگی باقیمانده و ماهیت چند وجهی, دامنه زمانی ساده $\text{A}$ -اسکن ها می توانند مبهم باشند. پردازش سیگنال پیشرفته, مانند تبدیل فوریه کوتاه مدت ( $\text{STFT}$ ) یا تجزیه و تحلیل موجک, به سیگنال دریافتی اعمال می شود. این سیگنال ورود پیچیده را به بسته های حالت متمایز بر اساس محتوای فرکانس و سرعت گروه آنها جدا می کند. هدف جداسازی حالت اکو نقص و تایید سرعت و زمان پرواز آن است, ایجاد تمایز واضح از بازتاب های هندسی (به عنوان مثال, از سوراخ پیچ یا سفت کننده) و سر و صدا.
بهینه سازی نهایی: فرکانس که حداکثر می کند $\text{SNR}$ از پژواک نقص و واضح ترین جداسازی حالت را در حوزه زمان-فرکانس ارائه می دهد. فرکانس عملیاتی بهینه برای آن پروفیل فولادی با زاویه خاص. این نتیجه تجربی اغلب پیش‌بینی FEM را تأیید می‌کند اما داده‌های عملکرد میدان بحرانی لازم برای اجرا را فراهم می‌کند.

اعتبار سنجی تجربی تأیید می کند که از نظر فنی بهینه ترین فرکانس صرفاً فرکانسی نیست که بیشترین انرژی را برانگیزد, اما یکی که استحکام را تضمین می کند, سیگنال به راحتی قابل تفسیر در محدوده طولانی مورد نیاز در یک محیط دنیای واقعی.

تاثیر مهندسی و پیاده سازی سیستم

بهینه‌سازی موفقیت‌آمیز فرکانس GWUT برای فولاد زاویه‌ای، تعمیر و نگهداری دکل‌های انتقال را از حالت محلی تبدیل می‌کند, فعالیت پرخطر به صنعتی, فرآیند غربالگری با سرعت بالا.

1. فوکوس حالت و گسترش دامنه

پس از انتخاب فرکانس و حالت بهینه, تکنیک های پیشرفته را می توان برای افزایش بیشتر عملکرد به کار برد. با استفاده از سیستم های مبدل آرایه فازی (یا $\text{PZT}$ یا $\text{EMAT}$ آرایه ها), انرژی موج می تواند باشد حالت خالص شده و متمرکز جهت. این به این معنی است که تنها حالت مورد نظر را در فرکانس بهینه در حالی که انرژی موج را به سمت مناطق بحرانی هدایت می کند، تحریک می کند (مانند مفاصل گوشه), به حداکثر رساندن غلظت انرژی در منطقه بازرسی و افزایش محدوده تشخیص موثر فراتر از آنچه که یک مبدل تک عنصری ساده می تواند به دست آورد.. گسترش دامنه پیامد مستقیم عملکرد در یک پنجره فرکانس غیر پراکنده با حداقل پراکندگی حالت است.

2. مدیریت داده و تصمیم گیری

داده‌های به‌دست‌آمده توسط سیستم بهینه‌سازی شده GWUT - مجموعه وسیعی از $\text{A}$ -اسکن و $\text{STFT}$ نمودارها - باید در یک چارچوب مدیریت داده قوی ادغام شوند. هدف اصلی GWUT است غربالگری: شناسایی سریع اعضای برج که دارای ناهنجاری هستند (عیب پژواک می کند). اینها “مثبت” سپس اعضا برای ثانویه پرچم گذاری می شوند, بازرسی محلی با استفاده از سنتی $\text{NDT}$ روش ها (به عنوان مثال, آرایه فازی $\text{UT}$ ) برای اندازه گیری دقیق و تعیین محل نقص. این رویکرد تخصیص منابع را بهینه می کند, دور شدن از بازرسی پوشش کامل گران قیمت به رویکرد تایید هدفمند, به طور قابل توجهی هزینه های تعمیر و نگهداری و خرابی را کاهش می دهد.

3. چالش های استقرار در دنیای واقعی

با وجود بهینه سازی, استقرار عملی در دکل های انتقال زنده با چالش هایی مواجه است:

تنوع پروفایل برج: دکل های انتقال از طیف وسیعی از اندازه های فولادی زاویه دار استفاده می کنند (به عنوان مثال, $L50 \times 50 \times 5$ به $L200 \times 200 \times 20$ ). از آنجایی که فرکانس بهینه ارتباط مستقیمی با هندسه دارد (را $f \cdot d$ محصول), سیستم بازرسی باید یا قادر به تنظیم سریع فرکانس باشد یا مجهز به کتابخانه ای از تنظیمات بهینه برای پروفایل های رایج باشد..
اتصالات پیچ و مهره ای و جوشی: انرژی موج به طور اجتناب ناپذیری در اتصالات پیچ و مهره و اتصالات جوشی پراکنده یا منعکس می شود. این مفاصل به صورت ناپیوستگی هندسی عمل می کنند, اغلب آشغال های قوی ایجاد می کند’ پژواک هایی که می توانند سیگنال های نقص را بپوشانند. الگوریتم های پیشرفته برای اجرا لازم است تشخیص ویژگی- تمایز بین بازتاب های شناخته شده از ویژگی های ساختاری و واقعی, بازتاب های غیرعادی ناشی از نقص.

اجرای موفقیت آمیز این فناوری به دقت به دست آمده در مرحله بهینه سازی فرکانس بستگی دارد, که حساسیت و وضوح سیگنال خام را تعیین می کند, سنگ بنای که تمام پردازش سیگنال و تصمیم گیری بعدی بر آن تکیه دارد. بنابراین تلاش علمی ادغام یکپارچه مکانیک امواج نظری است, شبیه سازی عددی, و اعتبار سنجی تجربی دقیق, منجر به ایجاد سیستمی می شود که قادر است به طور قابل اعتماد از زیرساخت های انرژی حیاتی محافظت کند.

خلاصه پارامترهای بهینه سازی

جدول زیر پارامترهای کلیدی و ابزارهای مورد استفاده در فرآیند تکراری بهینه‌سازی فرکانس موج هدایت‌شده برای بازرسی فولاد زاویه‌ای را خلاصه می‌کند.:

دسته پارامتر	هدف بهینه سازی	پارامتر فنی	ابزار بهینه سازی	خروجی بحرانی
من. مکانیک موج	انتشار دوربرد	فرکانس غیر پراکنده	روش ایمن	سرعت گروهی ( $v_{\text{g}}$ ) در مقابل. منحنی فرکانس
	تعامل نقص	تمرکز استرس در محل نقص	تجزیه و تحلیل شکل حالت ایمن	مشخصات تنش برشی ( $T_{\text{xz}}$ )
II. شبیه سازی	حساسیت & SNR	Defect Echo Amplitude در مقابل. فرکانس	3D FEM گذرا	A-Scan نسبت سیگنال به نویز (SNR)
	تأیید محدوده	نرخ تضعیف بیش از فاصله	3D FEM گذرا (مرزهای PML)	کاهش سیگنال پایه
III. آزمایش کنید	استحکام میدان	انتخاب حالت و وضوح	تست جاروب فرکانس	تجزیه و تحلیل زمان-فرکانس (STFT) طرح
	تطبیق مبدل	$\text{EMAT}$ پیچ پیچ یا $\text{PZT}$ هندسه	تنظیم تجربی	راندمان تحریک و خلوص حالت