基于阵列换能器激励超声导波的金属结构体表面防腐蚀方法技术

本发明专利技术提出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。本发明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。腐效率。腐效率。

【技术实现步骤摘要】
基于阵列换能器激励超声导波的金属结构体表面防腐蚀方法


[0001]本专利技术涉及防腐蚀
，特别是指一种基于阵列换能器激励超声导波的金属结构体表面防腐蚀方法。

技术介绍

[0002]碳钢因其性价比高而在工程设备上获得了广泛的应用，但占地球表面积的海洋是一个极为严酷的腐蚀环境，温度变化大，因此一旦处于海洋大气环境中，极易吸附大气中水分，从而在碳钢表面形成一层肉眼看不见的薄液膜，尤其是表面含有氯离子等可溶盐污染物时，更容易吸附水分而在其表面形成不同离子、不同浓度的薄液膜，处处遭受着腐蚀的危害。腐蚀不仅造成材料的浪费，更主要的是将导致灾难性事故，造成人员伤亡，而在军事方面将耽误战机。随着经济的不断发展，海洋油气平台、海底管线、海上风电、船舶运输、跨海大桥、海洋交通设施等不断增加，沿海更拥有大量的海港码头、滨海电厂等设施，因此对海洋环境下的结构体进行腐蚀防护是非常必要的。
[0003]金属的腐蚀防护的方法有很多，可以通过金属表面处理、电化学保护、涂层防护等。金属表面的腐蚀致使金属被损耗，于是金属的表面处理工作可以作为金属阻隔腐蚀反应的第一道防线。对于可以进行覆盖不影响金属材料正常使用的前提下，对所保护的金属材料进行表层覆盖操作，目的是将金属本体与腐蚀介质隔离开，防止金属的氧化作用使其失去电子，达到防止腐蚀的目的。但是该方法会存在损伤表面的问题，如果在阴极涂层，反而会增加金属表面的腐蚀。电化学保护法，是一种通过运用电化学原理在需要防护的金属表面上采取措施，使之成为腐蚀电极中的负极而避免或减少金属腐蚀的办法。它包括了牺牲阳极的阴极保护法、外加电流的阴极保护法和阳极保护法3个方式。通过电化学保护法让被保护金属获得大量电子从而产生阴极化来消除局部的阳极溶解属于阴极保护法，主要通过牺牲阳极或者外加电流来实现，但是成本高，需要日常维护。牺牲阳极阴极保护法是在防护金属材料的表层连接电位更低的金属或合金，将其变成阳极，以代替所要防护的金属材料失去电子，但是防护时间短，需要定期维护。所涂层防护法，就是在金属基材表面涂抹一层涂料，从而形成保护屏障。涂层防护法具有经济、方便、有效性高等多重特点，但是功能单一。超声导波沿结构体传播距离长，衰减小，因此可对结构体整个表面进行及时有效地防护。

技术实现思路

[0004]针对上述
技术介绍
中存在的不足，本专利技术提出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，能够在激励条件改变的情况下，有效保证超声导波在线防腐效果，同时具备良好的环境适应性，能够快速调整输入参数，提高硬件利用率等特点。
[0005]本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0006]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，其步骤如下：
[0007]步骤一：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；
[0008]步骤二：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；
[0009]步骤三：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。
[0010]所述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的方法为：
[0011]柱坐标条件下，导波沿Z方向传播，波导横截面位于r
‑
θ平面内；沿波导横截面进行离散化：
[0012]位移场由三个正交分量(u
r
,u
θ
,u
z
)定义，波导结构中每个质点在三个方向上的位移分量u、应力分量σ和应变分量ε分别如下：
[0013][0014]其中，应变与位移的关系为：
[0015][0016]应力与位移的关系：
[0017][0018]其中，C
ij
为材料刚度系数矩阵，i,j∈{1,2,3,4,5,6}；
[0019]利用虚功原理，得到如下的控制方程：
[0020][0021]其中，上标T表示矩阵转置，ρ是材料密度，是位移u关于时间t的二阶导数；V是单元体积；假设导波沿Z方向传播为谐波振动，波导中的位移为：
[0022][0023]其中，k表示波数，ω表示激励频率，t表示传播时间，r，θ，z表示极坐标系下坐标值；n表示周向阶数；利用有限元方法，单元中任意一点位移量可以通过形函数与节点位移矢量表示，径推导后的运动方程为：
[0024][K1+ikK2+k2K3‑
ω2M]U＝F；
[0025]其中，K1,K2,K3为刚度矩阵，M为质量矩阵，U为节点位移矢量，F为节点力矢量，由边界条件给出；上式令F＝0可得到弹性波导中声导波的一般均质波动方程，给定一个波数k值，可以通过求解特征值得到频率ω的值，从而得到波数和频率的关系，绘制出频散曲线。
[0026]所述材料刚度系数矩阵C
ij
的计算方法为：
[0027][0028]其中，λ、μ均为拉梅常数，E为材料的弹性模量，ν为泊松比，关系式为：
[0029][0030]由结构体材料的弹性模量和泊松比，即可得到该材料的刚度矩阵。
[0031]所述超声导波防腐装置包括上位机、输入接口、电源模块、核心板、DDS模块、调幅板、功率放大模块、输出接口和阵列换能器；上位机通过输入接口与核心板相连接，核心板与DDS模块相连接，DDS模块与调幅板相连接，调幅板与功率放大模块相连接，功率放大模块通过输出接口与阵列换能器相连接；电源模块分别与核心板、DDS模块、调幅板、功率放大模块相连接。
[0032]所述阵列换能器包括4个压电换能器，压电换能器切割为45
°
楔形铝底座，固定于防腐结构体一端表面。
[0033]所述核心板产生激励信号，激励信号的频率范围、周期、幅值大小可通过所述核心板调节，且频率超过20kHz。
[0034]所述功率放大模块设置2级放大电路。
[0035]所述DDS模块含有4个SMA输出端口，可根据环境条件控制输出通道数量。
[0036]所述结构体为板状结构体或管状结构体。
[0037]与现有技术相比，本专利技术产生的有益效果为：
[0038]1)本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。
[0039]2)本专利技术的成本低、环境污染小，并且结构体表面的翻盖范围大、距离长。
附图说明
[0040]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0041]图1为本专利技术的超声导波防腐装置的结构框图。
[0042]图2为本专利技术中使用的空心管本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于，其步骤如下：步骤一：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；步骤二：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；步骤三：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。2.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述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的方法为：柱坐标条件下，导波沿Z方向传播，波导横截面位于r
‑
θ平面内；沿波导横截面进行离散化：位移场由三个正交分量(u
r
,u
θ
,u
z
)定义，波导结构中每个质点在三个方向上的位移分量u、应力分量σ和应变分量ε分别如下：其中，应变与位移的关系为：应力与位移的关系：
其中，C
ij
为材料刚度系数矩阵，i,j∈{1,2,3,4,5,6}；利用虚功原理，得到如下的控制方程：其中，上标T表示矩阵转置，ρ是材料密度，是位移u关于时间t的二阶导数；V是单元体积；假设导波沿Z方向传播为谐波振动，波导中的位移为：其中，k表示波数，ω表示激励频率，t表示传播时间，r，θ，z表示极坐标系下坐标值；n表示周向阶数；利用有限元方法，单元中任意一点位移量可以通过形函数与节点位移矢量表示，径推导后的运动方程为：[K1+ikK2+k2K3‑
ω2M]U＝F；其中，K1,K2,K3为刚度矩阵，M为质量矩阵，U为节点位移矢量，F为节点力矢量，由边界条件给出；上式令F＝0可得到弹性波导中声导波的一般均质波动方程，给定一个波数k值，可以通过求解特征值得到频率ω的值，从而得到波数和频率的关系，绘制出频散曲线。3.根据权利要求2所述的基...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲志刚，付云坤，安阳，张全鹏，黄明昆，张珂，
申请(专利权)人：天津科技大学，
类型：发明
国别省市：