Diffusione delle onde guidate che si propagano attraverso le curve dei tubi in base all'espansione in modo normale

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 12488 (2022) Citare questo articolo

683 accessi

Dettagli sulle metriche

La diffusione delle onde guidate che si propagano attraverso le curve dei tubi viene studiata mediante espansione in modo normale. Innanzitutto, viene derivata la relazione di bi-ortogonalità per le modalità normali nelle curve dei tubi, in base alla quale i campi di spostamento e sollecitazione alle interfacce tra le parti diritte e curve vengono espansi con le modalità normali in entrambe le parti. Quindi, in base al principio di spostamento e continuità del campo di tensione, il problema dello scattering è considerato come un autoproblema di una matrice di trasferimento, la cui soluzione fornisce le conversioni modali alle interfacce. Viene presentato un caso di studio del modo longitudinale a bassa frequenza incidente su una curva di tubo e si scopre che le conversioni della modalità dominante sono la riflessione L(0,1) e la conversione della modalità da L(0,1) a F(1, 1). Vengono inoltre condotte simulazioni ed esperimenti sugli elementi finiti. Si osservano chiaramente la riflessione di curvatura L (0,1) e F (1,1) convertita in modalità, il che concorda bene con le previsioni teoriche.

Poiché è altamente efficiente e può rilevare zone che altrimenti sarebbero inaccessibili, la tecnologia a onde guidate1,2,3 viene ampiamente utilizzata per l'ispezione delle condutture. Tuttavia, le tubazioni pratiche presentano sempre più curve che interferiscono con la propagazione dell'onda incidente guidata e quindi complicano notevolmente i segnali di test e li rendono addirittura impossibili da interpretare. Pertanto, i meccanismi di diffusione delle onde guidate che si propagano attraverso le curve dei tubi sono essenziali durante l'ispezione di tubazioni complesse.

A causa dell'asse curvo di una curva del tubo, il moto ondoso al suo interno è molto più complesso e deve essere studiato numericamente piuttosto che analiticamente. Demma et al.4 hanno derivato per primi le curve di dispersione e le strutture modali delle onde guidate nelle curve dei tubi con il metodo di analisi modale5 in un software commerciale agli elementi finiti, ma la relazione di dispersione può essere calcolata solo a frequenze discrete. Hayashi et al.6 hanno calcolato per primi le curve di dispersione delle onde guidate nelle curve dei tubi utilizzando il metodo semi-analitico degli elementi finiti (SAFE)6,7,8,9,10, che richiede la discretizzazione solo della sezione trasversale del tubo, trasformando così un problema tridimensionale (3D) in uno bidimensionale (2D) e quindi risparmiando tempo di calcolo e memoria. Viene introdotto un sistema di coordinate cilindriche curve per la regione del tubo curvo, in base al quale viene derivata l'equazione che governa il moto ondoso nelle curve del tubo e quindi risolta con il metodo SAFE. Questo metodo viene applicato anche ai calcoli della dispersione di strutture elicoidali8 e strutture con sezioni trasversali costanti, come rotaie9 e tubi quadrati10.

Rispetto alle curve di dispersione delle onde guidate in tubi diritti, quelle per tubi curvati presentano diverse caratteristiche distinte, come frequenze di taglio per i modi fondamentali [L(0,1) e T(0,1)], mode splitting11, modalità repulsione9 e messa a fuoco naturale12. Demma et al.11 hanno studiato la caratteristica di suddivisione dei modi e hanno spiegato che i modi originariamente identici nei tubi diritti si dividono in due modi diversi a causa della perdita di assialsimmetria nelle curve dei tubi. La repulsione modale è stata osservata anche nelle curve di dispersione per piastre curve13,14, guide d'onda elicoidali8 e rotaie9, tra gli altri. Loveday et al.9 hanno studiato la modalità di repulsione delle onde guidate nelle rotaie, in seguito Wu et al.15 hanno studiato la stessa cosa nelle curve dei tubi. Si trova che la repulsione modale si verifica quando la derivata seconda della frequenza rispetto al numero d'onda si avvicina all'infinito man mano che le due curve si avvicinano l'una all'altra. Si è inoltre riscontrato che la repulsione modale avviene solo tra modi dello stesso tipo (ad esempio, modi simmetrici o antisimmetrici) e non tra modi di tipi diversi (ad esempio, modi simmetrici e antisimmetrici).

Sebbene le caratteristiche di propagazione delle onde guidate nelle curve dei tubi siano ben note, i corrispondenti meccanismi di diffusione rimangono meno compresi. La maggior parte degli studi sulla meccanica dello scattering si basano su simulazioni numeriche16,17,18,19,20 ed esperimenti21,22,23,24,25. Mediante la simulazione 3D degli elementi finiti, Aristegui et al.16 hanno simulato il modo L(0,2) che viaggia attraverso le curve del tubo e hanno osservato le conversioni della modalità da L(0,2) a F(1,3) e F(2, 3). Demma et al.11 hanno studiato la diffusione del modo torsionale T(0,1) e hanno scoperto che è più probabile che venga convertito in F(1,2). Basandosi sulla definizione di rappresentazioni parametriche ortogonali di tubi curvi che preservano il tempo di percorrenza, Brath et al.12 modellano la propagazione e la diffusione delle onde guidate in una curva con approcci bidimensionali. Qi et al.17 e Heinlein et al.18 hanno studiato la riflessione della modalità T(0,1) da difetti circonferenziali e assiali nelle curve dei tubi, rispettivamente. Oltre al metodo degli elementi finiti, vengono impiegati anche altri metodi numerici: Rudd et al.19 hanno utilizzato l'integrazione elastodinamica finita per simulare le onde guidate nelle curve dei tubi, e Zhou et al.20 hanno utilizzato il metodo degli elementi finiti delle onde per studiare la diffusione meccanica delle curve dei tubi.