CN111208207A - 一种螺栓应力检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种螺栓应力检测方法，该方法包括以下步骤：步骤S1：建立超声时差与螺栓应力的关系模型；步骤S2：通过在螺栓一个端面粘贴压电晶片并在螺栓另一个端面放置超声发射探头测得超声时差‑螺栓应力的关系曲线，并求解关系模型中的未知参数，得到确定关系模型；步骤S3：利用确定关系模型进行螺栓应力检测。与现有技术相比，减少了声波的能量损失，使接收到的波形信号更明显，从而使检测结果更加精确。

Description

一种螺栓应力检测方法
技术领域
本发明涉及螺栓应力测量领域，尤其是涉及一种螺栓应力检测方法。
背景技术
法兰服役过程中，由于螺栓力不足导致螺栓法兰接头泄漏失效是法兰接头失效的主要原因之一，而且法兰接头服役时间长，更为容易在外界因素下导致螺栓力衰减，但工程上大多数螺栓力检测技术不适用于螺栓法兰接头或对螺栓力有所损伤，因此需要一种无损的螺栓力在线检测方法。
超声波波速随传播介质应力状态变化而变化的现象称为声弹性现象。不论在弹性范围还是非线性应力-应变范围均存在。此现象为超声应力测量技术提供力理论依据，基于此提出的材料应力测量方法为声弹性法。
利用声弹性法在测量螺栓应力时，接收声波的大小常常会影响结果的精准度。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种螺栓应力检测方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种螺栓应力检测方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1：建立超声时差与螺栓应力的关系模型；
步骤S2：通过在螺栓一个端面粘贴压电晶片并在螺栓另一个端面放置超声发射探头测得超声时差-螺栓应力的关系曲线，并求解关系模型中的未知参数，得到确定关系模型；
步骤S3：利用确定关系模型进行螺栓应力检测。
所述的关系模型为：
Figure BDA0002392606570000011
其中，σ为螺栓应力，ΔS为超声时差，C0为无应力时超声声速，E为螺栓弹性模量，r'为螺栓等效受力长度，K为螺栓材料系数，K为所述的未知参数。
所述螺栓等效受力长度r'为：
r'＝螺母与螺栓头之间的距离+螺杆直径。
所述测得关系曲线的过程包括：
步骤S21：在螺栓一个端面粘贴作为超声接受器的压电晶片；
步骤S22：在螺栓另一个端面放置超声发射探头，并通过夹具固定超声发射探头；
步骤S23：压电晶片与处理器连接，超声发射探头通过功率放大器与波形发生器连接；
步骤S24：测得无拉伸力时的初始超声接收时长；
步骤S25：拉伸试验机拉伸螺栓，记录拉伸力的大小和不同拉伸力对应的超声接收时长；
步骤S26：根据拉伸力的大小、不同拉伸力对应的超声接收时长和初始超声接收时长，得到关系曲线。
所述得到确定关系模型的过程为：
步骤S27：将关系曲线进行直线拟合，得到拟合直线；
步骤S28：利用拟合直线得到螺栓材料系数，从而得到确定关系模型。
所述步骤S23中，处理器为示波器，压电晶片连接示波器的一个通道，波形发生器连接示波器的另一个通道。
利用应变片对所述的确定关系模型进行验证，所述应变片粘贴于螺杆，所述应变片连接应变仪。
所述利用确定关系模型进行螺栓应力检测的过程包括：
步骤S31：测得无应力时的初始超声接收时长；
步骤S32：对螺栓施加预紧力，并记录对应的超声接收时长；
步骤S33：利用初始超声接收时长和预紧力对应的超声接收时长，得到检测超声时差；
步骤S34：利用检测超声时差和确定关系模型得到螺栓应力。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)采用单程法(即超声从螺栓一端激发另一端接收)与原有的双程法(超声从螺栓一端激发经另一端反射回到激发端)相比，减少了声波的能量损失，使接收到的波形信号更明显，而接收到的波形信号则是计算超声时差大小的重要依据。
(2)采用拉伸试验机进行标定的方法，提高了螺栓应力的测量精度，并同时考虑了螺栓拉伸过程中声速变化和材料长度变化，进一步提高了测量精度。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明超声时差-螺栓应力的关系曲线测量示意图；
图3为本发明螺栓应力检测示意图；
图4为本发明示波器接收的超声波形；
图5为本发明超声时差-螺栓应力的拟合直线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
本实施例提供一种螺栓应力检测方法，如图1所示，包括：
步骤S1：建立超声时差与螺栓应力的关系模型；
步骤S2：通过在螺栓一个端面粘贴压电晶片并在螺栓另一个端面放置超声发射探头(纵波超声探头)测得超声时差-螺栓应力的关系曲线，并求解关系模型中的未知参数，得到确定关系模型；
步骤S3：利用确定关系模型进行螺栓应力检测。
具体而言：
超声时差指螺栓无应力时的初始超声接收时长与有应力时的超声接收时长的差值。
步骤一：建立超声时差与螺栓应力的关系模型。由于螺栓应力的存在，不仅声速变化导致超声时差变化，而且应力会使材料长度变化从而导致超声时差变化，所以必须同时分析应力对材料长度以及声速的影响。通过理论推导得到螺栓应力σ与超声时差ΔS的关系如下：
Figure BDA0002392606570000041
式中：σ的单位为MPa，ΔS的单位为s，C0为无应力时超声声速，单位为m/s，E为螺栓弹性模量，单位为MPa，r'为螺栓等效受力长度，单位为m，r'＝螺母与螺栓头之间的距离+螺杆直径，K为螺栓材料系数，K即为未知参数，因此只需通过标定测得K值，就可以根据超声时差求得螺栓应力。
步骤二：得到确定关系模型。标定***原理图如图2所示，需要用到拉伸试验机、应变仪、波形发生器、功率放大器、示波器、超声发射探头、压电晶体等；其中压电晶片与示波器CH2通道连接，用于接收超声波信号；波形发生器CH1与示波器CH1通道连接，作为对照；波形发生器CH2与功率放大器连接，功率放大器与超声发射探头连接。具体步骤为：在螺栓底部端面中央粘贴压电晶片，作为超声接收器；在螺栓顶部端面放置超声发射探头，涂上耦合剂，并通过夹具固定；接线，将压电晶片与示波器CH2通道连接，用于接收超声波信号；将波形发生器CH1与示波器CH1连接，作为超声发射时刻的对照参考；波形发生器CH2与功率放大器连接，功率放大器与超声发射探头连接；测得无拉伸力时的初始超声接收时长(无拉伸力即无螺栓应力)，将螺栓安装到拉伸试验机的试件位置，再开启试验机；设置拉伸试验机上的拉伸力大小，每次达到所需的拉伸力时，保持恒定5分钟，进行拉伸力示数的读取，并记录不同拉伸力对应的超声接收时长；超声接收时长由示波器的超声波形得到，如图4所示，计算超声时差，进而得到超声时差-螺栓应力的关系曲线；将得到的超声时差-螺栓应力的关系曲线进行直线拟合，得到超声时差与螺栓应力的标定曲线(拟合直线)：σ＝f(△S)；利用拟合直线得到螺栓材料系数，从而得到确定关系模型。拟合直线如图5所示。
步骤三：根据确定关系模型进行螺栓应力的检测。检测***原理图如图3所示。具体步骤为：首先进行无应力状态下的波形采集，得到无应力时的初始超声接收时长；对螺栓施加预紧力，重新采集波形，记录对应的超声接收时长；利用初始超声接收时长和预紧力对应的超声接收时长，得到检测超声时差；利用检测超声时差和确定关系模型得到螺栓应力。
本实施例利用应变片对确定关系模型进行验证，应变片粘贴于螺杆，应变片连接应变仪，通过应变片测量螺栓应力作为对照；将上述利用确定关系模型得到的螺栓应力与应变片测得的螺栓应力进行比较，得到确定关系模型的测量精度。

Claims (8)

1.一种螺栓应力检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1：建立超声时差与螺栓应力的关系模型；
步骤S2：通过在螺栓一个端面粘贴压电晶片并在螺栓另一个端面放置超声发射探头测得超声时差-螺栓应力的关系曲线，并求解关系模型中的未知参数，得到确定关系模型；
步骤S3：利用确定关系模型进行螺栓应力检测。
2.根据权利要求1所述的一种螺栓应力检测方法，其特征在于，所述的关系模型为：
Figure FDA0002392606560000011
其中，σ为螺栓应力，ΔS为超声时差，C0为无应力时超声声速，E为螺栓弹性模量，r'为螺栓等效受力长度，K为螺栓材料系数，K为所述的未知参数。
3.根据权利要求2所述的一种螺栓应力检测方法，其特征在于，所述螺栓等效受力长度r'为：
r'＝螺母与螺栓头之间的距离+螺杆直径。
4.根据权利要求1所述的一种螺栓应力检测方法，其特征在于，所述测得关系曲线的过程包括：
步骤S21：在螺栓一个端面粘贴作为超声接受器的压电晶片；
步骤S22：在螺栓另一个端面放置超声发射探头，并通过夹具固定超声发射探头；
步骤S23：压电晶片与处理器连接，超声发射探头通过功率放大器与波形发生器连接；
步骤S24：测得无拉伸力时的初始超声接收时长；
步骤S25：拉伸试验机拉伸螺栓，记录拉伸力的大小和不同拉伸力对应的超声接收时长；
步骤S26：根据拉伸力的大小、不同拉伸力对应的超声接收时长和初始超声接收时长，得到关系曲线。
5.根据权利要求4所述的一种螺栓应力检测方法，其特征在于，所述得到确定关系模型的过程为：
步骤S27：将关系曲线进行直线拟合，得到拟合直线；
步骤S28：利用拟合直线得到螺栓材料系数，从而得到确定关系模型。
6.根据权利要求4所述的一种螺栓应力检测方法，其特征在于，所述步骤S23中，处理器为示波器，压电晶片连接示波器的一个通道，波形发生器连接示波器的另一个通道。
7.根据权利要求1所述的一种螺栓应力检测方法，其特征在于，利用应变片对所述的确定关系模型进行验证，所述应变片粘贴于螺杆，所述应变片连接应变仪。
8.根据权利要求1所述的一种螺栓应力检测方法，其特征在于，所述利用确定关系模型进行螺栓应力检测的过程包括：
步骤S31：测得无应力时的初始超声接收时长；
步骤S32：对螺栓施加预紧力，并记录对应的超声接收时长；
步骤S33：利用初始超声接收时长和预紧力对应的超声接收时长，得到检测超声时差；
步骤S34：利用检测超声时差和确定关系模型得到螺栓应力。
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