CN114623956A - 一种螺栓随机横向载荷及其作用方向的超声测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种螺栓随机横向载荷及其作用方向的超声测量方法，步骤包括：(1)在待检螺栓顶部或底部制备中心和边缘排布的薄膜涂层传感器；(2)标定中心电极的声时和载荷，得到中心电极的载荷标定系数；(3)对边缘电极不同载荷不同角度下的飞行时间数组拟合出超声飞行时间‑载荷‑角度关系函数；(4)在待测螺栓实际工作时，测量中心电极与边缘电极的超声飞行时间，先利用中心电极的超声飞行时间与标定系数，得到此时的最大载荷；再利用最大载荷、边缘电极的超声飞行时间及其与角度的函数求解，得到随机载荷作用角度与方向。本发明利用中心电极和边缘电极的配合方案，首次实现了对承受随机横向载荷的螺栓紧固件等连接件的横向载荷大小和方向的同步测量，特别适用于承受随机横向载荷的紧固连接结构的在线监测，具有测量精度高和稳定性好的优点。
Description
技术领域
本发明涉及超声无损检测技术与压电薄膜领域，具体涉及一种螺栓随机横向载荷及其作用方向的超声测量方法。
背景技术
螺栓紧固件在包括车辆路噪震动、海洋波浪冲蚀等应用环境下会受到随机方向的载荷作用影响。且随着运行时间增加，其材料性能逐渐退化，因此非常有必要对这些设备的连接紧固件进行实时在线的载荷评定。开发出新的实际测量方法，对承受随机载荷的紧固件进行高精度测量，满足实时检测紧固件内部应力的要求，从而实时评估强风、地震等在空间、时间、强度维度上变化的随机载荷的影响。
国内外开展较早的螺栓应力测量研究工作，其中大部分的研究工作是以轴向应力测量为主。根据声弹性原理，可以通过测量超声波在螺栓中的传播时间进而定量测量出螺栓应力值，从而判断螺栓联接的健康状况。目前贴片式的超声波应力检测方法已经应用多年，但由于压电晶片一般采用环氧树脂或者胶粘剂粘接在螺栓上，容易出现脱落。而且由于胶层的厚度无法测量，对检测精度造成了较大的影响。除了常规的应力检测方法外，目前，基于PMTS(Permanent Mounted Transducer System)传感器的预紧力测量测量方法，在预紧力检测方向已经得到部分应用。其主要通过在螺栓上制备永久型压电传感器，然后利用传感器的逆压电效应在螺栓内产生超声波信号，通过标定不同载荷、温度与超声波在螺栓内飞行时间差关系，来实现螺栓内载荷的测量，是螺栓载荷的直接、原位测量方法。但包括常规方法与压电传感器测量方法在内，在横向载荷的测量方面，尚且没有深入的进展或者精确测量剪切力作用角度的技术。
本申请发明人在实施本发明的过程中，发现现有技术的方法至少存在如下技术问题：
(1)现有螺栓载荷超声测量，包括压电薄膜法或传统超声探头法，由于测量过程中，只能够提供一个飞行时间数据，无法同时实现载荷大小和载荷方位角度这两个物理量的同时测量。所以这些方法只能应用于已知载荷方向的场景，比如抗扭螺栓的安装过程；但是在服役过程中，环境带来的载荷大小和方向具有随机性，尚需要开发新的测量方法。
(2)横向载荷在螺栓剪切面上产生的应力是非均匀的，由此带来的问题是，从理论上构建的角度与特征量之间的映射关系并不是一一对应的，也就是说，采用传统单一传感器测量时，可能解析出2个横向载荷方向。
因此，本发明提出了两部走的方案：首先是利用中心传感器和边缘传感器的差异，解决载荷大小的影响，其次利用两个不同方位角的边缘传感器差异，解决载荷角度测量值唯一性的问题。
发明内容
本发明公开了一种螺栓随机横向载荷及其作用方向的超声测量方法，用于实现对随机方向作用的横向载荷进行大小与角度的精确测量。
本发明提供一种螺栓随机横向载荷及其作用方向的超声测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
一种螺栓随机横向载荷及其作用方向的超声测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、在待检螺栓顶部或底部制备中心和边缘排布薄膜涂层传感器；
步骤S2、标定中心电极的声时和载荷，得到中心电极的载荷标定系数；
步骤S3、对边缘电极不同载荷不同角度下的飞行时间数组拟合出超声飞行时间-载荷-角度关系函数；
步骤S4、在待测螺栓实际工作时，测量中心电极与边缘电极的超声飞行时间，先利用中心电极的超声飞行时间与标定系数，得到此时的最大载荷；再利用最大载荷、边缘电极的超声飞行时间及其与角度的函数求解，得到随机载荷作用角度与方向。
在上述的一种螺栓随机横向载荷及其作用方向的超声测量方法，S1中，在待测螺栓顶部或者底部使用物理气相沉积方法，制备一层具有压电效应涂层传感器，在传感器上表面中心制备中心电极，中心电极边缘制备两个边缘电极，两个边缘电极相对中心电极夹角为α，0°<α<180°。
在上述的一种螺栓随机横向载荷及其作用方向的超声测量方法，步骤S2中，首先在标准拉伸机上进行横向载荷的梯度加载，加载梯度载荷为m*ΔF，m＝0,1,2,3,4,5……，然后利用中心电极测试数据进行拟合得到载荷标定系数，具体是记录下中心电极载荷为0时的超声飞行时间t0和每个载荷下的超声飞行时间tm，m＝1,2,3,4,5……，拟合超声飞行时间与载荷数据的关系，得到中心电极对应的声时tm与载荷标定公式F＝a0*tm+b0，其中，F为实时施加的横向载荷，a0、b0为标定系数。
在上述的一种螺栓随机横向载荷及其作用方向的超声测量方法，步骤S3中，关系函数的获取步骤是：
步骤S3.1、利用边缘电极测试数据进行拟合得到载荷标定系数：保证一号边缘电极位于拉伸机加载方向，依次记录每个载荷下一号电极的超声飞行时间t1m与二号电极的超声飞行时间t2m，m＝1,2,3,4,5……；
步骤S3.2、拟合超声飞行时间与载荷数据的关系，得到1号边缘电极对应的声时t1m与载荷标定公式F＝a10*t1m+b10，其中，F为实时施加的横向载荷，a10、b10为一号边缘电极的标定系数；
步骤S3.3、利用边缘电极测试数据构建螺栓角度与标定系数函数：依次将标样螺栓旋转Δθ角度，重复S4步骤，得到每个Δθ角度对应的应力标定系数a11和b11，二号边缘电极对应角度也记为θ；通过拟合构建横向载荷大小F、横向载荷方向θ和飞行时间t1m的模型为
F＝f1(θ)*t1m+g1(θ)
其中f1(θ)为应力标定系数a1i与角度θ的拟合关系式，g1(θ)为应力标定系数b1i与角度θ的拟合关系式，该拟合关系为正弦函数，则二号边缘电极横向载荷大小F、横向载荷方向θ和飞行时间t2m的模型为
F＝f2(θ)*t2m+g2(θ)
其中f2(θ)为应力标定系数a2i与角度θ的拟合关系式，g2(θ)为应力标定系数b2i与角度θ的拟合关系式，该拟合关系为正弦函数。
在上述的一种螺栓随机横向载荷及其作用方向的超声测量方法，步骤S4在进行工作状态承受随机载荷的在役螺栓的实际检测，同时测量中心电极超声飞行时间tm与边缘电极超声飞行时间t1m、t2m，通过将tm代入中心电极标定公式F＝a0*tm+b0，可得出实时作用载荷F的值。
在上述的一种螺栓随机横向载荷及其作用方向的超声测量方法，步骤S4中,将边缘电极超声飞行时间t1m与时作用载荷F代入一号边缘电极标定函数F＝f1(θ)*t1m+g1(θ)，即可得到载荷F此时相对一号边缘电极作用的角度θ1与θ2，将边缘电极超声飞行时间t2m与时作用载荷F代入边缘电极标定函数F＝f2(θ)*t2m+g2(θ)，即可得到载荷F此时相对二号边缘电极作用的角度θ3与θ4，当一号边缘电极求出的θ1或θ2与二号边缘电极求出的θ3或θ4之差θ4-θ1、θ4-θ2、θ3-θ1、θ3-θ2的值为两个边缘电极的夹角α时，如θ3-θ1＝α，认为此时载荷作用方向为一号边缘电极的θ1角度处，即二号电极的θ3角度处。
在上述的一种螺栓随机横向载荷及其作用方向的超声测量方法，阵列薄膜传感器的传感器薄膜完整覆盖上表面或下表面，其中心电极形状为圆形，边缘电极形状具有较多选择，其边缘电极数量为2，不可相对中心电极呈中心对称分布；
在上述的一种螺栓随机横向载荷及其作用方向的超声测量方法，梯度载荷最大值不超过螺栓的剪切强度的80％。
在上述的一种螺栓随机横向载荷及其作用方向的超声测量方法，步骤S3中所述角度Δθ，在5°-15°之间。
本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：
本发明提出利用1个中心涂层传感器和2个边缘涂层传感器的组合方案，首次实现了对承受随机横向载荷的螺栓紧固件等连接件的横向载荷大小和方向的同步测量。位于中心的涂层传感器不会受到载荷方向的影响，因而可以用来直接测量载荷大小；位于边缘的两个涂层传感器用来测量可能载荷方向，两个边缘传感器的差值解决角度测量的唯一性问题。仅本技术可用于但不仅限于承受车辆路噪震动、海洋波浪冲蚀等随机方向的载荷作用影响的螺栓紧固件，实现在复杂载荷作用下的精确测量，并能实时分辨横向载荷作用方向，实现应力的全方位判断。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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。
图1a为螺栓与传感器形状示意图
图1b为图1a中抗扭螺栓顶部电极排布示意图。
图2为夹具与载荷作用示意图。
图3为边缘电极角度标定示意图。
图4为中心电极声时-载荷标定曲线。
图5为两个边缘电极角度-标定系数拟合关系曲线。
具体实施方式
为解决现有的紧固件螺栓无法实现对随机方向作用的横向载荷进行大小与角度的精确测量，导致不能实现螺栓紧固件实时应力监测的难题，本发明提出一种螺栓随机横向载荷及其作用方向的超声测量方法。
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
一种螺栓随机横向载荷及其作用方向的超声测量方法，包括以下步骤：
S1.在航天器使用抗扭螺栓顶部使用物理气相沉积方法，制备一层具有压电效应涂层传感器，螺栓与传感器形状如附图1a和图1b所示，在传感器上表面中心制备中心电极，中心电极边缘制备两个边缘电极，两个边缘电极相对中心电极夹角为α＝90°，采用激光切割方法可实现各种形状电极的加工。
S2.根据实际工作情况，设计相配合的剪切作用夹具，使用具有高精度的拉伸试验机或插销试验机进行横向载荷的梯度加载，夹具形状与加载方式如图2所示。保持载荷稳定一段时间后进行测量，加载梯度载荷为5000N，加载最大载荷为35kN。
S3.使用超声测量仪器采集中心电极与边缘电极超声信号，利用中心电极测试数据进行拟合得到载荷标定系数：记录下中心电极载荷为0时的超声飞行时间t0和0-35kN范围内每个梯度下的超声飞行时间tm，拟合超声飞行时间与载荷数据的关系，得到中心电极对应的声时与载荷标定公式F＝a0*tm+b0如附图4。
S4.利用边缘电极测试数据进行拟合得到载荷标定系数：保证一号边缘电极位于拉伸机加载方向，依次记录一号电极0-35kN范围内每个梯度下的超声飞行时间t1m与二号电极的超声飞行时间t2m。
S5.拟合超声飞行时间与载荷数据的关系，得到1号边缘电极对应的声时与载荷标定公式F＝a10*t1m+b10。
利用边缘电极测试数据构建螺栓角度与标定系数函数：依次将标样螺栓旋转Δθ＝10°，重复S4步骤，得到每个θ角度对应的应力标定系数a11和b11，二号边缘电极对应角度也记为θ；；通过拟合构建横向载荷大小F、横向载荷方向θ和飞行时间t1m的模型为
F＝f1(θ)*t1m+g1(θ)
其中f1(θ)为应力标定系数a1i与角度θ的拟合关系式，g1(θ)为应力标定系数b1i与角度θ的拟合关系式，使用f1(θ)＝a1i＝y1+A1 sin[π(x-x1)/w1]，g1(θ)使用二次或三次多项式进行拟合。
S6.得到二号边缘电极横向载荷大小F、横向载荷方向θ和飞行时间t2m的模型为
F＝f2(θ)*t2m+g2(θ)
其中f2(θ)为应力标定系数a2i与角度θ的拟合关系式，g2(θ)为应力标定系数b2i与角度θ的拟合关系式，使用f2(θ)＝a2i＝y2+A2 sin[π(x-x2)/w2]，g2(θ)使用二次或三次多项式进行拟合，两个边缘电极的f(θ)曲线如附图5所示。
S7.进行工作状态承受随机载荷的在役螺栓的实际检测，同时测量中心电极超声飞行时间tm与边缘电极超声飞行时间t1m、t2m，通过将tm代入附图4中心电极标定公式F＝a0*tm+b0，可得出实时作用载荷F＝32kN；
S8.将边缘电极超声飞行时间t1m与时作用载荷F＝32kN代入一号边缘电极标定函数F＝f1(θ)*t1m+g1(θ)，即可得到载荷F此时相对一号边缘电极作用的角度θ1＝72°与θ2＝-59°，将边缘电极超声飞行时间t2m与时作用载荷F＝32kN代入边缘电极标定函数F＝f2(θ)*t2m+g2(θ)，即可得到载荷F此时相对二号边缘电极作用的角度θ3＝19°与θ4＝167°，所以当一号边缘电极求出的θ1＝72°与二号边缘电极求出的θ4＝167°之差θ4-θ1的值为95°，近似于两个边缘电极的夹角α＝90°，认为此时载荷作用方向为一号边缘电极的72°处，即二号电极的167°处。
Claims (9)
1.一种螺栓随机横向载荷及其作用方向的超声测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、在待检螺栓顶部或底部制备中心和边缘排布薄膜涂层传感器；
步骤S2、标定中心电极的声时和载荷，得到中心电极的载荷标定系数；
步骤S3、对边缘电极不同载荷不同角度下的飞行时间数组拟合出超声飞行时间-载荷-角度关系函数；
步骤S4、在待测螺栓实际工作时，测量中心电极与边缘电极的超声飞行时间，先利用中心电极的超声飞行时间与标定系数，得到此时的最大载荷；再利用最大载荷、边缘电极的超声飞行时间及其与角度的函数求解，得到随机载荷作用角度与方向。
2.根据权利要求1所述的一种螺栓随机横向载荷及其作用方向的超声测量方法，其特征在于，S1中，在待测螺栓顶部或者底部使用物理气相沉积方法，制备一层具有压电效应涂层传感器，在传感器上表面中心制备中心电极，中心电极边缘制备两个边缘电极，两个边缘电极相对中心电极夹角为α，0°＜α＜180°。
3.根据权利要求1所述的一种螺栓随机横向载荷及其作用方向的超声测量方法，其特征在于，步骤S2中，首先在标准拉伸机上进行横向载荷的梯度加载，加载梯度载荷为m*ΔF，m＝0，1，2，3，4，5......，然后利用中心电极测试数据进行拟合得到载荷标定系数，具体是记录下中心电极载荷为0时的超声飞行时间t0和每个载荷下的超声飞行时间tm，m＝1，2，3，4，5......，拟合超声飞行时间与载荷数据的关系，得到中心电极对应的声时tm与载荷标定公式F＝a0*tm+b0，其中，F为实时施加的横向载荷，a0、b0为标定系数。
4.根据权利要求1所述的一种螺栓随机横向载荷及其作用方向的超声测量方法，其特征在于，步骤S3中，关系函数的获取步骤是：
步骤S3.1、利用边缘电极测试数据进行拟合得到载荷标定系数：保证一号边缘电极位于拉伸机加载方向，依次记录每个载荷下一号电极的超声飞行时间t1m与二号电极的超声飞行时间t2m，m＝1，2，3，4，5……；
步骤S3.2、拟合超声飞行时间与载荷数据的关系，得到1号边缘电极对应的声时t1m与载荷标定公式F＝a10*t1m+b10，其中，F为实时施加的横向载荷，a10、b10为一号边缘电极的标定系数；
步骤S3.3、利用边缘电极测试数据构建螺栓角度与标定系数函数：依次将标样螺栓旋转Δθ角度，重复S4步骤，得到每个Δθ角度对应的应力标定系数a11和b11，二号边缘电极对应角度也记为θ；通过拟合构建横向载荷大小F、横向载荷方向θ和飞行时间t1m的模型为
F＝f1(θ)*t1m+g1(θ)
其中f1(θ)为应力标定系数a1i与角度θ的拟合关系式，g1(θ)为应力标定系数b1i与角度θ的拟合关系式，该拟合关系为正弦函数，则二号边缘电极横向载荷大小F、横向载荷方向θ和飞行时间t2m的模型为
F＝f2(θ)*t2m+g2(θ)
其中f2(θ)为应力标定系数a2i与角度θ的拟合关系式，g2(θ)为应力标定系数b2i与角度θ的拟合关系式，该拟合关系为正弦函数。
5.根据权利要求1所述的一种螺栓随机横向载荷及其作用方向的超声测量方法，其特征在于，步骤S4在进行工作状态承受随机载荷的在役螺栓的实际检测，同时测量中心电极超声飞行时间tm与边缘电极超声飞行时间t1m、t2m，通过将tm代入中心电极标定公式F＝a0*tm+b0，可得出实时作用载荷F的值。
6.根据权利要求5所述的一种螺栓随机横向载荷及其作用方向的超声测量方法，其特征在于，步骤S4中，将边缘电极超声飞行时间t1m与时作用载荷F代入一号边缘电极标定函数F＝f1(θ)*t1m+g1(θ)，即可得到载荷F此时相对一号边缘电极作用的角度θ1与θ2，将边缘电极超声飞行时间t2m与时作用载荷F代入边缘电极标定函数F＝f2(θ)*t2m+g2(θ)，即可得到载荷F此时相对二号边缘电极作用的角度θ3与θ4，当一号边缘电极求出的θ1或θ2与二号边缘电极求出的θ3或θ4之差θ4-θ1、θ4-θ2、θ3-θ1、θ3-θ2的值为两个边缘电极的夹角α时，如θ3-θ1＝α，认为此时载荷作用方向为一号边缘电极的θ1角度处，即二号电极的θ3角度处。
7.根据权利要求1所述的一种螺栓随机横向载荷及其作用方向的超声测量方法，其特征在于，阵列薄膜传感器的传感器薄膜完整覆盖上表面或下表面，其中心电极形状为圆形，边缘电极形状具有较多选择，其边缘电极数量为2，不可相对中心电极呈中心对称分布。
8.根据权利要求3所述的一种螺栓随机横向载荷及其作用方向的超声测量方法，其特征在于，梯度载荷最大值不超过螺栓的剪切强度的80％。
9.根据权利要求所述的一种螺栓随机横向载荷及其作用方向的超声测量方法，其特征在于，步骤S3中所述角度Δθ，在5°-15°之间。
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