【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及防腐蚀的，尤其涉及一种超声导波换能器设计方法。
技术介绍
1、目前，海洋大气环境下金属结构体的防腐技术主要有涂料防腐、金属涂层防腐、电化学防腐、包覆材料防腐、超声波技术辅助防腐等，但由于价格高昂以及实施方式复杂等原因均存在一定的局限性。一种基于超声导波的金属表面防腐蚀技术通过超声导波引起金属结构体振动，可有效阻止盐雾与金属结构体表面的接触，可在现有涂层防护基础上进一步减缓大型金属结构体表面腐蚀速度。但是，目前的超声导波换能器设计未能针对超声导波在金属表面防腐蚀的特定需求，如激励模态、入射角度和激励频率等进行系统设计。为此，本专利技术提出了一种用于金属管道表面主动防腐蚀的超声导波换能器设计方法，以提升其防护效果。
2、例如，申请号为202310035208.6的专利技术专利公开了一种基于阵列换能器激励超声导波的金属结构表面防腐蚀方法，其步骤为：首先，根据结构体的材料属性，使用半解析有限元方法计算超声导波在结构体中的频散曲线；其次，根据频散曲线和snell定律，设计阵列换能器楔形角，并将阵列换能器固定在结构体表面；最后，基于阵列换能器搭建超声导波防腐装置，通过激励信号激发阵列换能器产生沿结构体表面传播的超声导波，实现在线防腐。该专利技术利用导波作用在结构体表面的剪切力以及引起结构体表面高频振动，实现在线防腐蚀，同时在温度变化情况下，调整输入参数，降低环境干扰，保证防腐效率。但是，该方法并未针对防腐蚀所需要激励的超声导波的模态和振动频率进行设计，未能实现管道表面位移响应的最大化，对盐雾颗粒的振动效率较低，因此
技术实现思路
1、针对现有换能器无法激励出金属管道表面防腐蚀所需要的特定频率和模态的超声导波技术问题，本专利技术提出一种用于金属管道表面主动防腐蚀的超声导波换能器设计方法，简单、高效，可以指导设计应用在不同材料和尺寸的管道上的换能器结构。
2、为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种用于金属管道表面主动防腐蚀的超声导波换能器设计方法，步骤包括：
3、s1：利用有限元数值模拟确定需要激励的超声导波的模态和频率，利用半解析有限元法计算超声导波在管道中传播的频散曲线，并通过频散曲线找到需要激励的特定模态；
4、s2：建立超声导波换能器模型，对利用morris轨迹模型的参数进行灵敏度测试，以得到对超声导波换能器特性影响较大的结构参数；
5、s3：对影响较大的结构参数的不同情况进行模拟并对换能器进行设计制作，得到合适的换能器参数。
6、步骤s1所述利用半解析有限元法计算超声导波在管道中传播的频散曲线的方法为：
7、在管道中，超声导波的位移场通常表示为波动形式：
8、u(r,θ,z,t)＝u(r,θ)ei(kz-ωt)；
9、其中，u(r,θ,z,t)是位移向量，依赖于半径r、角度θ、轴向坐标z和时间t；u(r,θ)是管道横截面上的位移分量；k是波数，ω是角频率，i是虚数单位；
10、对于管道中的弹性体，控制方程为：
11、
12、其中，σ是应力张量，ρ是材料密度，u是位移向量，为梯度算子；
13、应力和应变的关系由线弹性材料的本构关系为：
14、σ＝c·ε；
15、其中，c是材料的弹性刚度矩阵，ε是应变张量，由位移梯度计算得：
16、
17、其中，为对称梯度算子；
18、在管道横截面上使用有限元方法对位移场进行离散，将位移场近似为有限元基函数的组合：
19、u(r,θ)≈∑jnj(r,θ)uj；
20、其中，nj(r,θ)是横截面上的有限元基函数，uj是离散节点上的位移向量；
21、将位移场和应变场带入控制方程，并利用有限元法对横截面进行离散化，得到波动方程的有限元形式：
22、
23、其中，m质量矩阵，k为刚度矩阵，u是离散的节点位移向量矩阵；对于超声导波问题，位移场假设为谐波形式ei(kz)，将其带入波动方程中得到；
24、(-ω2m+k)u＝0；
25、将波数k与频率ω的对应关系转化为特征值问题，对于给定的波数k，通过求解特征值问题得到角频率ω，特征值问题的表达式为：
26、(k(k)-ω2m)u＝0；
27、特征值问题的解ω(k)对应的是频散关系，通过改变波数k的值，重复求解特征值问题，得到一系列对应的频率ω；绘制k和ω的关系曲线，得到频散曲线。
28、步骤s2所述超声导波换能器包括换能模块，换能模块下侧设置有楔形底座，换能模块包括外壳，外壳内设置有螺杆，螺杆的一端与外壳内侧固定连接，螺杆的另一端与楔形底座相连接，螺杆外侧设置有绝缘管，绝缘管上套装有至少一个压电陶瓷片，相邻的压电陶瓷片之间和压电陶瓷片与外壳之间均设置有电极片。
29、所述相邻的压电陶瓷片的极化方向相反，压电陶瓷片的数量为偶数。
30、所述楔形底座下侧设置有槽口，槽口的槽面为弧形槽面。
31、所述楔形底座为顶端设有斜面的楔形底座，外壳设置在斜面上侧。
32、步骤s2所述对利用morris轨迹模型的参数进行灵敏度测试的方法为：
33、对超声导波换能器进行建模，设超声导波换能器模型中有m个独立的输入参数，n个关键特性为输出参数，若仅让第i个输入参数以固定的步长增长，其他的输入参数值保持不变，得到输出参数的响应值y，则在x输入参数以固定步长δi变化下的基本因素eei定义为：
34、
35、利用morris轨迹抽样在输入变量中建立p条轨道，每条轨道中有n+1个采样点，则合计需要计算(n+1)p个采样点；
36、对于每一个输入变量xi对输出变量yi的影响程度采用均值μi和方差σi进行统计分析；对于p条轨道，均值μi和方差σi分别为：
37、
38、其中，是第i个输入变量在第j条轨道中的基本因素；
39、由于输入变量对输出变量可能存在负相关影响，为避免由于eei计算值为负数时，因求和运算时的相互抵消项消弱了均值μi计算结果，campolongo重新定义了μi计算公式为：
40、
41、将均值μi和方差σi称为灵敏度因子，通过灵敏度因子加以评估输入变量对输出变量影响的重要程度，得到楔形底座2的槽口深度和斜面角度为对超声导波换能器特性影响较大的结构参数。
42、所述利用morris轨迹抽样在输入变量中建立p条轨道的具体方法为：
43、在输入变量空间中首先选择一个初始点，将其中一个输入变量以固定步长增加或者减小得到第二个样本点，以第二个样本点为基础，同样以固定步长增加或减小另一个输入变量值得到第三个样本点，如此重复，依次将输入变量空间中所有输入参数变化一次得到一条轨迹。
44、所述通过灵敏度因子加以评估输入变量对输本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于金属管道表面主动防腐蚀的超声导波换能器设计方法，其特征在于，步骤包括：
2.根据权利要求1所述的用于金属管道表面主动防腐蚀的超声导波换能器设计方法，其特征在于，步骤S1所述利用半解析有限元法计算超声导波在管道中传播的频散曲线的方法为：
3.根据权利要求2所述的用于金属管道表面主动防腐蚀的超声导波换能器设计方法，其特征在于，步骤S2所述超声导波换能器包括换能模块(1)，换能模块(1)下侧设置有楔形底座(2)，换能模块(1)包括外壳，外壳内设置有螺杆(3)，螺杆(3)的一端与外壳内侧固定连接，螺杆(3)的另一端与楔形底座(2)相连接，螺杆(3)外侧设置有绝缘管(4)，绝缘管(4)上套装有至少一个压电陶瓷片(5)，相邻的压电陶瓷片(5)之间和压电陶瓷片(5)与外壳之间均设置有电极片(6)。
4.根据权利要求3所述的用于金属管道表面主动防腐蚀的超声导波换能器设计方法，其特征在于，所述相邻的压电陶瓷片(5)的极化方向相反，压电陶瓷片(5)的数量为偶数。
5.根据权利要求4所述的用于金属管道表面主动防腐蚀的超声导波换能器设计方法，其
6.根据权利要求3-5中任意一项所述的用于金属管道表面主动防腐蚀的超声导波换能器设计方法，其特征在于，所述楔形底座(2)为顶端设有斜面的楔形底座，外壳设置在斜面上侧。
7.根据权利要求6所述的用于金属管道表面主动防腐蚀的超声导波换能器设计方法，其特征在于，步骤S2所述对利用Morris轨迹模型的参数进行灵敏度测试的方法为：
8.根据权利要求7所述的用于金属管道表面主动防腐蚀的超声导波换能器设计方法，其特征在于，所述利用Morris轨迹抽样在输入变量中建立p条轨道的具体方法为：
9.根据权利要求8所述的用于金属管道表面主动防腐蚀的超声导波换能器设计方法，其特征在于，所述通过灵敏度因子加以评估输入变量对输出变量影响的重要程度的方法为：如果计算均值μi较小，则该输入参数对输出参数影响不重要；
10.根据权利要求9所述的用于金属管道表面主动防腐蚀的超声导波换能器设计方法，其特征在于，所述对影响较大的结构参数的不同情况进行模拟并对换能器进行设计制作的方法为：
...【技术特征摘要】
1.一种用于金属管道表面主动防腐蚀的超声导波换能器设计方法，其特征在于，步骤包括：
2.根据权利要求1所述的用于金属管道表面主动防腐蚀的超声导波换能器设计方法，其特征在于，步骤s1所述利用半解析有限元法计算超声导波在管道中传播的频散曲线的方法为：
3.根据权利要求2所述的用于金属管道表面主动防腐蚀的超声导波换能器设计方法，其特征在于，步骤s2所述超声导波换能器包括换能模块(1)，换能模块(1)下侧设置有楔形底座(2)，换能模块(1)包括外壳，外壳内设置有螺杆(3)，螺杆(3)的一端与外壳内侧固定连接，螺杆(3)的另一端与楔形底座(2)相连接，螺杆(3)外侧设置有绝缘管(4)，绝缘管(4)上套装有至少一个压电陶瓷片(5)，相邻的压电陶瓷片(5)之间和压电陶瓷片(5)与外壳之间均设置有电极片(6)。
4.根据权利要求3所述的用于金属管道表面主动防腐蚀的超声导波换能器设计方法，其特征在于，所述相邻的压电陶瓷片(5)的极化方向相反，压电陶瓷片(5)的数量为偶数。
5.根据权利要求4所述的用于金属管道表面主动防腐蚀的超声导波换能器设计方法，...
【专利技术属性】
技术研发人员：曲志刚，陈若严，安阳，付云坤，武立群，王晓岑，
申请(专利权)人：天津科技大学，
类型：发明
国别省市：
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