CN113551824B - 一种基于超声反射系数的螺栓连接界面压力检测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超声反射系数的螺栓连接界面压力检测方法及装置，属于螺栓连接结合面压力检测领域。采用水浸超声探头扫描被连接件，利用不同压力下超声波反射系数变化规律，建立起超声反射系数与螺栓连接界面压力之间的对应关系，从而实现结合面压力的检测；同时通过超声探头检测螺栓预紧力大小，从而确定了不同预紧力下的结合面压力分布。本发明与以往的结合面压力测试相比，保留了原始接触状态，减少了反射系数和压力大小对应关系的标定过程，同时增加了实时预紧力监测环节，进一步提高了精度与效率。

Description

一种基于超声反射系数的螺栓连接界面压力检测方法及装置
技术领域
本发明属于螺栓连接结合面压力检测领域，具体涉及一种基于超声反射系数的螺栓连接界面压力检测方法及装置。
背景技术
螺栓连接具有结构简单、装拆方便、紧固可靠的特点，在工程中应用广泛。螺栓在实际装配过程中会产生一定的初始装配应力，这是影响螺栓连接装配性能的重要因素之一。适当的装配应力有利于实现被连接件的充分接触，而过大的装配应力容易使螺栓连接超过其承载极限，破坏结构完整性，并对连接结构整体使用寿命产生较大影响。在装配应力作用下，连接结构容易出现疲劳、断裂、渗漏等故障，严重影响装备使用的安全可靠度。螺栓连接界面的应力测量可以预防故障的发生，保证结合面应力分布均匀，优化螺栓预紧力大小等方面的设计。因此，科学准确地测量螺栓连接结合面压力大小的研究越来越受人们重视。
目前针对螺栓连接结合面压力的测试手段包括压敏薄膜检测法、薄型数字传感器检测法、超声检测法。压敏薄膜虽然简单易用，但是由于其需要压在被连接件之间，改变了被连接件的接触状态，不能真实反应接触压力，同时其不能实时监测压力的变化情况；薄型数字传感器虽然可以实时监测压力变化，但是其厚度较大，也需要放置被连接件之间，破坏了结构的整体性和完整性，造成被连接件的真实接触情况发生较大改变，同时还有几何空间限制，不能真实反应压力大小及分布情况。
超声检测是一种新式方法，而现有的超声检测方法基本都需要标定过程，标定过程结构与实际结构不一致，不同被连接件接触状态不同，同时拟合曲线会有误差；此外，也不能同时检测螺栓预紧力大小的变化情况，进而缺少了该预紧力下的压力分布情况。利用本发明方法及装置，直接测得实际结构的反射系数，同时测得螺栓预紧力大小，建立反射系数与界面压力的对应关系，进一步提高测量精度，降低了压力检测成本，为螺栓连接结合面压力分布检测提供了一种更精确、方法的测试方式。
发明内容
针对现有结合面压力检测方法的不足，以及克服标定过程带来的误差以及高成本，本发明提供了一种基于超声反射系数的螺栓连接界面压力检测方法及装置。本发明可同时检测螺栓连接结合面的压力大小及螺栓预紧力的大小，提高了实时监测的准确性；利用超声第一次回波的幅值变化表征压力变化，避免了双波的低分辨率误差，提高了测量精度。
本发明技术方案如下：
一种基于超声反射系数的螺栓连接界面压力检测装置包括超声水浸探头1、夹具2、流水管道3、单板4、连接板5、超声探头7、超声收发器8、示波器9和PC端10；超声探头7放置在贴有压电陶瓷片的螺栓6上，超声探头7与超声收发器8相连。超声收发器8使用单收单发功能，既能发生信号也能接收信号；超声收发器8输出信号传输到示波器9，示波器9与PC端10连接，实时检测螺栓6预紧力大小；超声水浸探头1由夹具2固定后随其移动，夹具2安装在水平导轨13的滑块a12或垂直导轨11的滑块b14上，两组导轨滑块保证两个方向的移动；超声水浸探头1一侧面连接流水管道3，水作为耦合剂充满夹具2与超声水浸探头1间，增加超声聚焦程度；超声水浸探头1上的信号线与超声收发器8进行连接，使用超声收发器8的单收单发功能；超声收发器8与示波器9连接，示波器9与PC端10相连进行数据传输与数据处理；螺栓6过连接板5伸入单板4中，通过对螺栓6预加载，使单板4和连接板5之间存在压力。
在单板4和连接板5的结合面处缠绕一圈防水胶带防止水流流入。
一种基于超声反射系数的螺栓连接界面压力检测方法，具体步骤如下：
1)在未连接板5时，通过水浸超声探头1检测单板4的超声信号反射幅值，确定初始反射系数；
2)使用力矩扳手对螺栓6进行加载，使单板4和连接板5之间存在压力，由超声探头7检测螺栓6预紧力，并通过移动水浸超声探头1检测超声信号反射系数沿螺栓6径向分布范围，确定接触压力外半径rw、接触压力内半径rn与接触面积A；
Figure BDA0003160185560000031
式中，接触面积A是使用接触压力外半径rw和接触压力内半径rn之差计算的，接触压力外半径rw由单板4信号和界面刚度曲线的交点确定，其中界面刚度曲线由反射系数与界面刚度的关系式确定，接触压力内半径rn为螺栓孔边界；
3)根据反射系数比值R，确定界面刚度K1，进而通过界面刚度K1和压力与界面刚度的比例常数m，得到界面压力P；
反射系数与界面刚度K1的关系式：
Figure BDA0003160185560000032
Figure BDA0003160185560000033
mK1＝P
式中，z为极板的特性阻抗，f为超声中心频率，R为反射系数的比值，m为压力与界面刚度的比例常数，F为螺栓预紧力，r为与螺栓6对称轴的径向距离，P为界面压力，ra为螺栓孔边界rn，rb为被连接件边界。
操作之前对螺栓6预紧力进行标定；测试过程中，确保温度不存在突变或者变化大的情况。
通过力矩扳手对螺栓6施加特定扭矩，在确保温度没有突变的情况下，采集超声信号并进行滤波处理；检测螺栓预紧力大小，并同时检测界面压力值；从螺栓松弛状态开始，不断拧紧力矩扳手，增加螺栓6预紧力的大小，改变界面刚度，检测界面压力变化情况。
基于超声反射系数检测压力的关键步骤：
1)在没有连接板5时，检测单板4的超声信号反射幅值，确定初始反射系数；
2)使用力矩扳手对螺栓进6行加载，使连接板5之间存在压力，检测螺栓6预紧力，同时通过移动超声水浸探头1，检测水浸超声信号反射系数沿螺栓6径向分布范围，确定接触压力分布半径与接触面积；
3)计算反射系数比值，确定界面刚度，进而通过界面刚度与接触面积计算比例常数，得到界面压力。
本发明的有益效果：本发明与以往的结合面压力测试相比，保留了原始接触状态，减少了反射系数和压力大小对应关系的标定过程，同时增加了实时预紧力监测环节，进一步提高了精度与效率。
附图说明
图1是界面压力检测流程图；
图2是界面压力检测装置部分示意图；
图3是界面压力检测装置整体示意图；
图4是夹具示意图；
图5是界面压力与反射系数关系测量曲线图。
图中：1超声水浸探头，2夹具，3流水管道，4单板，5连接板，6超声探头，8超声收发器，9示波器，10 PC端，11垂直导轨，12滑块a，13水平导轨,14滑块b。
具体实施方式
下面通过具体实例，对本发明的技术方案进一步的具体说明，本实例仅仅为了对本发明进行说明，并不限定本发明的保护范围。
1.基于超声反射系数检测界面压力建立模型
由于界面的不连续性，原始信号和加压后的信号反射系数不同，通过检测超声反射系数的比值(零压力状态反射系数Rmeas和有压力状态反射系数Rref)，来表征界面压力大小。
反射系数与界面刚度的关系式：
Figure BDA0003160185560000051
其中，K1为界面刚度，z为极板的特性阻抗，f为超声中心频率，R为反射系数的比值。
在施加预紧力F的情况下，界面刚度与与常规刚度区别在于一个因数——接触面积A：
Figure BDA0003160185560000052
Figure BDA0003160185560000053
式中，k为界面的平均刚度，δz为界面的相对法向位移，Pmean为在标称面积上的平均接触压力。
因此，平均压力与界面刚度的关系为：
Figure BDA0003160185560000054
进而，局部压力P可以表示为：
Figure BDA0003160185560000061
实际界面刚度与压力之间的比例常数与实际界面刚度与法向力之和除以接触面积的积分相同，如下式：
mK1＝P
Figure BDA0003160185560000062
Figure BDA0003160185560000063
Figure BDA0003160185560000064
式中，接触面积A是使用接触外半径rw和接触内半径rn之差计算的接触压力外半径rw由单板4信号和界面刚度曲线的交点确定，其中界面刚度曲线由反射系数与界面刚度的关系式确定；接触压力内半径rn为螺栓孔边界。
在试验过程中，所有压力计算通过实际界面刚度计算的系数m进行转换，趋势为随着预紧力的增加，压力也随之增加，同时，压力信号的半径所划定的接触面积随着压力的增加没有明显变化。
2.界面压力测试装置结构及工作原理
下面结合附图对本发明进一步进行说明：
本发明分为两个部分，如图1和如图2所示。
建立超声反射系数与界面压力关系：
1)确保在测试过程中，温度不存在突变或者变化较大的情况，以及操作之前对螺栓预紧力进行标定；
2)在超声水浸探头1旁固定流水管道3，将水作为超声检测的耦合剂，保证水流充足，在检测过程中水充满夹具2，没过超声水浸探头1，增加超声聚焦程度，为防止水流进螺栓被连接件结合面影响超声信号振幅，在单板4和连接板5的结合面缠绕一圈防水胶带控制水流；
3)将超声水浸探头1与螺栓6对应区域对应，通过超声水浸探头上的信号线与超声收发器8进行连接，调整使用单收单发功能，既能发生信号也能接收信号，将超声收发器8与示波器9通过BNC线连接，示波器9与PC端10通过GPIB进行数据传输，PC端10采用Labview编写数据处理程序进行信号采集与信号处理；
4)将超声水浸探头1由夹具2固定控制其移动夹具2安装在水平导轨13的滑块a12或垂直导轨11的滑块b14上，两组导轨滑块保证两个方向的移动；
5)将超声探头7放置在贴有压电陶瓷片的螺栓6上，使用超声收发器8的单收单发功能，传输到示波器9，示波器9与PC端10通过BNC线连接，通过PC端Labview程序实时检测螺栓预紧力大小；
6)通过力矩扳手对螺栓6施加特定扭矩，在确保温度没有突变的情况下，采集超声信号，并进行滤波处理，检测螺栓6预紧力大小，并同时检测界面压力值；
7)从螺栓松弛状态开始，不断拧紧力矩扳手，增加螺栓预紧力的大小，改变界面刚度，检测界面压力变化情况；
3.基于超声反射系数检测压力的关键步骤：
1)在无连接板5时，通过水浸超声探头1检测单板4的超声信号反射幅值，确定初始反射系数；
2)使用力矩扳手对螺栓6进行加载，使单板4和连接板5之间存在压力，由超声探头7检测螺栓预紧力，并通过移动连接在水平导轨13的滑块a12或垂直导轨15的滑块b14的夹具2带动水浸超声探头1检测超声信号反射系数沿螺栓6径向分布范围，确定界面压力分布半径与接触面积；
3)计算反射系数比值，确定界面刚度，进而通过界面刚度与接触面积计算比例常数，得到界面压力。

Claims (4)

1.一种基于超声反射系数的螺栓连接界面压力检测方法，其特征在于，该方法基于一种螺栓连接界面压力检测装置实现，该装置包括超声水浸探头(1)、夹具(2)、流水管道(3)、单板(4)、连接板(5)、超声探头(7)、超声收发器(8)、示波器(9)和PC端(10)；超声探头(7)放置在贴有压电陶瓷片的螺栓(6)上，超声探头(7)与超声收发器(8)相连；超声收发器(8)输出信号传输到示波器(9)，示波器(9)与PC端(10)连接，实时检测螺栓(6)预紧力大小；超声水浸探头(1)由夹具(2)固定，夹具(2)在导轨上根据检测需求滑动；超声水浸探头(1)一侧面连接流水管道(3)，水作为耦合剂充满夹具(2)与超声水浸探头(1)间，增加超声聚焦程度；超声水浸探头(1)上的信号线与超声收发器(8)进行连接，超声收发器(8)与示波器(9)连接，示波器(9)与PC端(10)相连进行数据传输与数据处理；螺栓(6)过连接板(5)伸入单板(4)中，通过对螺栓(6)预加载，使单板(4)和连接板(5)之间存在压力；
所述的检测方法具体步骤如下：
1)在连接板(5)未连接时，通过超声水浸探头(1)检测单板(4)的超声信号反射幅值，确定初始反射系数；
2)使用力矩扳手对螺栓(6)进行加载，使单板(4)和连接板(5)之间存在压力，由超声探头(7)检测螺栓(6)预紧力，并通过移动超声水浸探头(1)检测超声信号反射系数沿螺栓(6)径向分布范围，确定接触压力外半径rw、接触压力内半径rn与接触面积A；
Figure FDA0003609124390000011
式中，接触面积A是接触压力外半径rw和接触压力内半径rn之差；接触压力外半径rw由单板(4)信号和界面刚度曲线的交点确定，其中界面刚度曲线由反射系数与界面刚度的关系式确定；接触压力内半径rn为螺栓孔边界；
3)根据反射系数比值R，确定界面刚度K1，进而通过界面刚度K1和压力与界面刚度的比例常数m，得到界面压力P；
反射系数与界面刚度K1的关系式：
Figure FDA0003609124390000021
Figure FDA0003609124390000022
mK1＝P
式中，z为单板(4)的特性阻抗，f为超声中心频率，R为反射系数的比值，m为压力与界面刚度的比例常数，F为螺栓预紧力，r为与螺栓(6)对称轴的径向距离，P为界面压力，ra为螺栓孔边界rn，rb为单板(4)边界。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声反射系数的螺栓连接界面压力检测方法，其特征在于，在单板(4)和连接板(5)的结合面处缠绕一圈防水胶带防止水流流入。
3.根据权利要求1所述的一种基于超声反射系数的螺栓连接界面压力检测方法，其特征在于，操作之前对螺栓(6)预紧力进行标定；测试过程中，确保温度不存在突变或者变化大的情况。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于超声反射系数的螺栓连接界面压力检测方法，其特征在于，通过力矩扳手对螺栓(6)施加特定扭矩，在确保温度没有突变的情况下，采集超声信号并进行滤波处理；检测螺栓预紧力大小，并同时检测界面压力值；从螺栓松弛状态开始，不断拧紧力矩扳手，增加螺栓(6)预紧力的大小，改变界面刚度，检测界面压力变化情况。
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