CN112747856B - 一种高强度螺栓预紧力的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度螺栓预紧力的检测方法，是通过对高强度螺栓螺母进行声学特性研究，将接收到的脉冲信号进行处理，对脉冲信号的时域信号进行归一化处理，然后进行幂函数拟合，得出高强度螺栓预紧力与定点声时t之间的关系，从而可根据定点声时t得到高强度螺栓预紧力的大小。本发明所提出的高强度螺栓预紧力的检测方法，设备轻便、检测效率高，为高强度螺栓预紧力的检测提供了一种方便、准确、快捷的测量方式。

Description

一种高强度螺栓预紧力的检测方法

技术领域

本发明涉及声波检测领域，具体涉及一种高强度螺栓预紧力的检测方法。

背景技术

当前，钢结构建筑已经大量使用在民用建筑以及厂房建设当中，钢结构在建筑领域里展现出尤为重要的姿态。高强度螺栓连接是20世纪中叶发展起来的一种钢结构节点连接方式。随着结构材料性能和标准件制造能力的提高，高强度螺栓在工程中得以越来越多的应用。高强度螺栓连接的连接质量对钢结构的稳定性尤为重要，预紧力过大时，会导致高强度螺栓强度破坏；预紧力过小时，会导致连接件松弛，因此，对于高强度螺栓预紧力的检测显得尤为重要。

目前在高强度螺栓预紧力的检测方法中，声波检测法作为一种设备轻便、容易激发、操作方便的测量方式而被引起重视，在现有技术中，一些研究人员通过分析螺杆中的声弹性效应，利用声弹性理论，得出声学参数与螺栓预紧力之间的关系，然而，此方式在进行标定实验时未考虑实际工程中钢板对测量结果的影响，因此，在实际工程中会产生较大误差，另外，在实际工程中，螺杆往往被埋在构件中，很难通过此方式来获取相应的特征参数。还有一些研究人员利用速度比法，即使用两种不同的声波(例如纵向波和剪切波)来获得波速比，从而来计算螺栓荷载，然而横波和纵波的两个单独的波速测量需要非常小心和精确，才能将换能器安装在螺栓头的表面上，并且不仅要以相同的压力，而且应在相同的位置将传感器压在螺栓头上。否则，接触条件和测量位置的微小变化会导致波速出现重大误差，因此，在实际工程中很难进行使用。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供一种高强度螺栓预紧力的检测方法，通过直接对高强度螺栓螺母进行声学特征研究，对获取的声学信息进行特定的数据处理，从而快速、稳定、精准的测量螺栓预紧力。

本发明提出的具体技术方案，包括以下步骤：

步骤a)在高强度螺栓的螺母上激发低频应力波，使应力波接收设备接收螺母对侧透射的声波信号；

步骤b)将步骤a所得的声波信号进行滤波处理，得到声波信号的时域图；

步骤c)将步骤b所得的时域信息进行小波降噪，获取降噪后的时域波形图；

步骤d)将步骤c提取的时域波形图进行归一化处理，并提取相应的定点声时t，将螺栓预紧力与相应的定点声时t进行幂函数拟合，得高强度螺栓预紧力与定点声时t之间的关系；

步骤e)将实际测量得到的定点声时t代入关系式(1)，得高强度螺栓的待测预紧力σ；

σ(t)＝at^b (1)

其中，a,b为常数，通过计算机拟合而得。

步骤a)中低频应力波为纵波。

上述低频应力波的频率范围选自4kHz～10kHz。

与现有技术相比，本发明提供的一种高强度螺栓预紧力检测方法，是通过对高强度螺栓螺母进行声学特性研究，将接收到的声波信号进行处理，从时域图中提取一种时域信号作为声学特征参数，将该参数定义为定点声时t，再将定点声时t对应的时域信号进行归一化及幂函数拟合，得出高强度螺栓预紧力与定点声时t(第一波谷所对应的声时)之间的关系，从而可根据定点声时t得到高强度螺栓预紧力的大小。

值得一提的是，本发明首次提出定点声时t的概念，是发明人在通过对高强度螺栓螺母进行声学特性研究时发现，在所获取的模拟信号中，定点声时t随着高强度螺栓预紧力的增加而减小，试验中亦是如此；另外，此测量方法采取稀土超磁致伸缩换能器进行脉冲信号的激发，从而可以很好的控制激发频率，使得测量结果更加稳定。

本发明提供的方法具体有以下优点：

1.本发明通过直接对高强度螺栓螺母进行声学特性研究，克服了现有技术中对高强度螺栓螺杆进行标定试验时，未考虑螺杆埋入构件中时对测量产生的影响；

2.本发明通过稀土超磁致伸缩换能器作为激发源，从而获取稳定的激发频率；

3.对于高强度螺栓处于不同预紧力下，本发明通过获取的特征参数定点声时t即可计算出相应的高强度螺栓预紧力值，测量结果直观准确；

4.本发明操作流程简单高效，测量结果精准稳定。

附图说明

图1a为无预紧力状态下的高强度螺栓构件有限元模型示意图；

图1b为有预紧力状态下的高强度螺栓构件有限元模型示意图；

图2为有限元模型在不同预紧力状态下所获取的时域图；

图3为对有限元模型在不同预紧力状态下所获取的时域图进行小波降噪得到的局部时域图；

图4为有限元模型中，不同预紧力状态下，应力比(螺栓预紧力与其抗拉强度的比值)与定点声时t的关系图；

图5为本发明实施例在直径分别为16mm、20mm、22mm螺栓预紧力达到其相应抗拉强度设计值的0、20％、30％、40％、50％、60％、70％时所获取的脉冲信号时域图；

图6为本发明实施例步骤b)所述的不同预紧力下的局部时域图；

图7为本发明实施例定点声时t与应力比(螺栓预紧力与其抗拉强度的比值)拟合的示意图；

图8为本发明实施例实验模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步具体的说明。

参见图1～图8，本发明提供的高强度螺栓预紧力的检测方法具体包括以下步骤：

(1)选取螺栓直径为16mm的模型，根据钢结构工程中高强度螺栓的实际情况(如图1a所示)设置相关材料的弹性模量(Ε)、密度(ρ)、泊松比(μ)，在COMSOL Multiphysics中分别建立高强度螺栓处在不同预紧力(即预紧力达到高强度螺栓抗拉强度设计值的0、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％)时的有限元模型，使用材料参数如表1所示：

表1

	弹性模量(GPa)	密度(kg/m3)	泊松比
				钢板	200	7850	0.3
螺栓	209	7850	0.28

(2)如图1a和图1b所示，图1a是高强度螺栓构件处于无预紧力状态下的有限元模型示意图，图1b是高强度螺栓构件处于有预紧力状态下的有限元模型示意图，在模型中的1点处激发5KHz的应力波，在1点处的对侧2点接受应力波透射信号，即时域信号；

(3)将步骤(2)中所得各有限元模型接受的时域信号(波形信号)进行滤波处理，其中，低截止频率设置为100Hz，高截止频率设置为60KHz，所得脉冲波传播情况示意图如图2所示；

(4)将步骤(3)滤波得到的时域信息进行小波降噪处理，并对降噪后的时域信息进行归一化处理，截取部分时域波形图，得到声波信号的局部时域图，如图3所示；

(5)通过观察图3，提取局部时域图中的定点声时t(第一波谷所对应的声时)；

(6)将步骤5提取的定点声时t与所对应的预紧力进行幂函数拟合，得高强度螺栓预紧力与定点声时t之间的关系式(1)；

σ(t)＝at^b (1)

其中，a,b为常数，通过计算机拟合而得，拟合结果如表2所示，所得应力比(螺栓预紧力与其抗拉强度的比值)与定点声时t的关系图如图4所示。

同样地，当螺栓直径为20mm、22mm时，其分别对应的a，b值为下表2所不：

表2

	16mm	20mm	22mm
				a	6.98×10<sup>8</sup>	1.19×10<sup>16</sup>	9.6×10<sup>6</sup>
b	-5.69	-10.12	-4.5

本实施例中，分别获取了高强度螺栓分别在受到其抗拉强度设计值的0、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％时的定点声时，表3为定点声时t与高强度螺栓处于相应抗拉强度设计值比的对应数据。

表3

应力比	定点声时(μs)
		0	21
0.1	14
		0.2	13
0.3	10
		0.4	9
0.5	7
		0.6	7
0.7	6

试验模型验证

(1)试验材料：螺栓，选取三种10.9级高强度螺栓，直径分别为16mm、20mm、22mm；钢板，选取两块厚度为6mm，在其上分别布置3个空洞，钻孔尺寸为17.5mm、22mm、24mm；扭矩扳手，选取雅瑞克G4-400，扭矩范围40-400N·m；

(2)测量仪器，选取使用本课题组的B508-Wireless型高精度无线超声波仪进行数据采集，通过稀土超磁致伸缩换能器激发应力波，TH压电换能器接收应力波；

(3)选取发射换能器测点与接收换能器测点成180°位置安放换能器，用扭矩扳手将高强度螺栓拉至其抗拉强度设计值的0、20％、30％、40％、50％、60％、70％。为了减少误差，在每种预紧力状态下，对锚头进行3次声波信息采集。

(4)～(5)与实施例1相同，获取不同预紧力状态下的时域信号(图5)并通过小波降噪获得局部时域图(图6)，其中实验测量得到的定点声时与高强度螺栓处于相应抗拉强度设计值比的对应数据如表4所示：

表4

(6)将所得到的结果与模拟数据进行对比可知，模拟数据与试验数据中，定点声时t与高强度螺栓预紧力都具有幂函数的相关性如图7所示。在所获取的模拟信号中，定点声时t随着高强度螺栓预紧力的增加而减小，实验中亦是如此，但模拟数据整体都要比实验数据的定点声时t要小(后者是前者的284倍)，这主要是因为，在实验中螺母和螺杆之间存在空隙，而在数值模拟中，螺母和螺杆之间不存在空隙，因此会出现虽然试验中定点声时t随着高强度螺栓预紧力的增加而减小,但其数值整体都要比模拟数据的定点声时大。但在实际测量时，实验值和模拟值在微秒级别中的差距已经相当小，已满足工程测量中的误差要求。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (4)

1.一种高强度螺栓预紧力的检测方法，其特征在于，是通过对高强度螺栓螺母进行声学特性研究，将接收到的脉冲信号进行处理，对脉冲信号的时域信号进行归一化处理，然后对从时域信号中选取的定点声时t进行幂函数拟合，得出高强度螺栓预紧力与定点声时t之间的关系，从而可根据定点声时t得到高强度螺栓预紧力的大小；其中，所述定点声时t为时域信号中第一波谷所对应的声时。

2.依据权利要求1所述的高强度螺栓预紧力的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a)在高强度螺栓的螺母上激发低频应力波，使应力波接收设备接收螺母对侧透射的声波信号；

步骤b)将步骤a所得的声波信号进行滤波处理，得到声波信号的时域图；

步骤c)将步骤b所得的时域信息进行小波降噪，获取降噪后的时域波形图；

步骤d)将步骤c提取的时域波形图进行归一化处理，并提取相应的定点声时t，将螺栓预紧力与相应的定点声时t进行幂函数拟合，得高强度螺栓预紧力与定点声时t之间的关系；

步骤e)将实际测量得到的定点声时t代入关系式(1)，得高强度螺栓的待测预紧力σ；

σ(t)＝at^b (1)

其中，a,b为常数，通过计算机拟合而得。

3.依据权利要求2所述的高强度螺栓预紧力的检测方法，其特征在于，步骤a)中低频应力波为纵波。

4.依据权利要求2所述的高强度螺栓预紧力的检测方法，其特征在于，所述低频应力波的频率范围选自4kHz～10kHz。

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