一种低弹性模量材质螺栓超声预紧力测量方法技术

本发明专利技术公开了一种低弹性模量材质螺栓超声预紧力测量方法，属于超声波无损检测技术领域。该方法包括步骤：选取标定螺栓；在零应力状态下，通过超声波测量标定螺栓，得到基准波形；在不同应力状态下，通过超声波测量标定螺栓，得到标定数据；利用最小二乘法使用标定数据拟合低弹模螺栓预紧力公式，得到螺栓预紧力系数；通过超声波测量待测螺栓，得到测量波形；对测量波形进行降噪处理，并利用时延算法计算得到测量波形和基准波形之间的超声时延；利用低弹模螺栓预紧力公式，将测量波形和基准波形之间的超声时延代入计算，得到待测螺栓的预紧力大小。采用该方法测量低弹性模量材质螺栓的预紧力，可以有效改善其测量精度。可以有效改善其测量精度。可以有效改善其测量精度。

【技术实现步骤摘要】
一种低弹性模量材质螺栓超声预紧力测量方法


[0001]本专利技术涉及一种低弹性模量材质螺栓超声预紧力测量方法，属于超声波无损检测


技术介绍

[0002]螺栓连接作为工程生产中重要的连接方式，具有结构简单、装卸方便、效率高、成本低等优点，被广泛应用于航天航空、交通桥梁、建筑结构、化工产品等重要设备中。
[0003]在实际工程建设中，不合适的螺栓预紧力会损坏螺栓连接副的质量，并直接影响到设备的整体性和可靠性。因此，准确、直观且便捷地测量螺栓预紧力对其在工业领域的广泛应用起到至关重要的作用。传统的螺栓预紧力测量方法有扭矩扳手法、电阻应变片法等，但大多方法由于其控制精度差、测量效率低等问题，在螺栓预紧力监测方面的应用还存在一定的局限性。近年来，无损检测技术中的超声测量方法在螺栓预紧力测量应用中取得了快速发展，超声波法测量预紧力基于声弹性的理论基础历经多年研究也得到了完善。其中，超声纵波法因其沿中轴传输，对柱状形状的螺栓具有极高的灵敏度，被广泛运用于螺栓应力的工程测量中。
[0004]在航天航空领域中，随着车辆轻量化进程的推进，低弹性模量材质螺栓(如：铝制螺栓、铜制螺栓等)正在被大量的用于车体中，从而达到车辆整车减重的目的。在现有超声螺栓预紧力测量方案中，所测螺栓多为碳钢或不锈钢螺栓，该种螺栓的弹性模量大、声弹性效应弱，因此在测量中可近似认为超声传播时间和螺栓预紧力成正比。但对于低弹性模量材质螺栓，由于其弹性模量小，相同预紧力下螺栓伸长率较碳钢或不锈钢螺栓大很多，由于声弹性具有累加效应，即声弹性效应造成的波速变化所引起的超声传播时间变化会随着螺栓伸长率的增大而增大，从而导致低弹模材质螺栓使用超声法测量螺栓预紧力时不可忽略声弹性效应影响，使得超声传播时间和螺栓预紧力不再是简单的正比关系。因此，一种低弹性模量材质螺栓超声预紧力测量方法对于车辆关键低弹模螺栓的预紧力检测方面具有重要的应用意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的专利技术目的是提供一种低弹性模量材质螺栓超声预紧力测量方法，该方法能简便快捷、低成本、高精度地测量低弹性模量材质螺栓的预紧力大小。
[0006]本专利技术实现其专利技术目的所采取的技术方案是：一种低弹性模量材质螺栓超声预紧力测量方法，包括步骤：
[0007]S1、选取待测螺栓同规格同批次的任意螺栓作为标定螺栓；
[0008]S2、在零应力状态下，通过超声波测量所述标定螺栓，得到基准波形w0；
[0009]S3、在不同应力状态下，通过超声波测量所述标定螺栓，得到标定数据σ
i
和Δt
i
，其中σ
i
表示应力大小，Δt
i
表示对应应力下的超声时延；
[0010]S4、利用最小二乘法使用所述标定数据拟合低弹模螺栓预紧力公式，得到螺栓预
紧力系数；所述低弹模螺栓预紧力公式考虑声弹性效应造成的非线性影响，是关于螺栓预紧力与超声时延的精确求解模型；
[0011]S5、通过超声波测量所述待测螺栓，得到测量波形w
test
；
[0012]S6、对所述测量波形w
test
进行降噪处理，并利用时延算法计算得到所述测量波形w
test
和所述基准波形w0之间的超声时延Δt
test
；
[0013]S7、根据步骤S4中得到的所述螺栓预紧力系数，利用所述低弹模螺栓预紧力公式，将步骤S6计算得到的所述测量波形w
test
和所述基准波形w0之间的超声时延Δt
test
代入计算，即得到所述待测螺栓的预紧力大小。
[0014]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0015]现有超声螺栓预紧力测量技术尚未考虑声弹性效应对预紧力测量造成的非线性影响，近似地认为预紧力大小与超声时延成线性关系。但对于低弹模材料而言，由于其伸长率较大，声弹性效应加剧使得预紧力与超声时延之间不再是单纯的线性关系，再采用现有技术方案进行测量会产生较大误差。本专利技术的技术方案中低弹模螺栓预紧力公式考虑声弹性效应造成的非线性影响，是关于螺栓预紧力与超声时延的精确求解模型；并利用最小二乘法对螺栓预紧力系数进行求解。采用本专利技术的技术方案测量低弹性模量材质螺栓的预紧力，可以有效地改善低弹性模量材质螺栓预紧力的测量精度。
[0016]进一步，所述低弹模螺栓预紧力公式的表达式如下：
[0017][0018]式中，A、B、C为所述螺栓预紧力系数，σ为螺栓预紧力大小，Δt为超声时延。
[0019]下面给出低弹模螺栓预紧力公式的具体推理过程：
[0020]待测螺栓受到预紧力后其长度伸长，相对零应力状态的超声波传播时间变化可表示为：
[0021][0022]其中，L0为零应力状态下的夹持长度；v0为零应力状态下的超声传播速度；ΔL为待测螺栓受力后的伸长量；Δv为由于声弹性效应造成的超声传播速度变化量。
[0023]根据胡克定理和声弹性效应有：
[0024][0025]其中，E为弹性模量；k2为声弹性系数，该值仅和材料属性(弹性模量、泊松比、高阶弹性模量)有关。
[0026]由式(1.1)和(1.2)联合可得到：
[0027][0028]由于v0、L0、E和k2仅和螺栓本身材料属性和安装方式有关，因此式(1.3)可简化为：
[0029][0030]其中，A、B、C被称为螺栓预紧力系数，可表示为A＝v0，C＝k2。
[0031]进一步，所述步骤S3，在不同应力状态下，通过超声波测量所述标定螺栓，得到标
定数据σ
i
和Δt
i
，其中σ
i
表示应力大小，Δt
i
表示对应应力下的超声时延，具体操作包括：
[0032]S3-1、将所述标定螺栓根据实际紧固情况确定夹持长度，夹持在拉伸机上；
[0033]S3-2、在所述标定螺栓的弹性阶段，利用拉伸机对所述标定螺栓施加不同的应力σ
i
，并采集对应应力下的超声波信号得到标定波形w
i
，其中i＝1，2，
…
，n，n表示拉伸机施加的不同应力状态数目；(一般n≥5)
[0034]S3-3、对标定波形w
i
进行降噪处理，并利用时延算法计算各标定波形w
i
和基准波形w0之间的超声时延Δt
i
。
[0035]进一步，所述步骤S4，利用最小二乘法使用所述标定数据拟合低弹模螺栓预紧力公式，得到螺栓预紧力系数，其中包括步骤：确定所述螺栓预紧力系数的拟合初值，记所述螺栓预紧力系数为A、B、C，具体操作包括：
[0036]S4-1、将标定数据中的Δt
i
作为自变量，σ
i
作为因变量，进行线性拟合，得到线性拟合方程σ＝k
·
Δt+b；
[0037]S4-2、判断本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低弹性模量材质螺栓超声预紧力测量方法，其特征在于，包括步骤：S1、选取待测螺栓同规格同批次的任意螺栓作为标定螺栓；S2、在零应力状态下，通过超声波测量所述标定螺栓，得到基准波形w0；S3、在不同应力状态下，通过超声波测量所述标定螺栓，得到标定数据σ
i
和Δt
i
，其中σ
i
表示应力大小，Δt
i
表示对应应力下的超声时延；S4、利用最小二乘法使用所述标定数据拟合低弹模螺栓预紧力公式，得到螺栓预紧力系数；所述低弹模螺栓预紧力公式考虑声弹性效应造成的非线性影响，是关于螺栓预紧力与超声时延的精确求解模型；S5、通过超声波车辆所述待测螺栓，得到测量波形w
test
；S6、对所述测量波形w
test
进行降噪处理，并利用时延算法计算得到所述测量泼形w
test
和所述基准波形w0之间的超声时延Δt
test
；S7、根据步骤S4中得到的所述螺栓预紧力系数，利用所述低弹模螺栓预紧力公式，将步骤S6计算得到的所述测量波形w
test
和所述基准波形w0之间的超声试验Δt
test
代入计算，即得到所述待测螺栓的预紧力大小。2.根据权利要求1所述的一种低弹性模量材质螺栓超声预紧力测量方法，其特征在于，所述低弹模螺栓预紧力公式的表达式如下：式中，A、B、C为所述螺栓预紧力系数，σ为螺栓预紧力大小，Δt为超声时延。3.根据权利要求1所述的一种低弹性模量材质螺栓超声预紧力测量方法，其特征在于，所述步骤S3，在不同应力状态下，通过超声波测量所述标定螺栓，得到标定数据σ
i
和Δt
i
，其中σ
i
表示应力大小，Δt
i
表示对应应力下的超声时延，具体操作包括：S3-1、将所述标定螺栓根据实际紧固情况确定夹持长度，夹持在拉伸机上；S3-2、在所述标定螺栓的弹性阶段，利用拉伸机对所述标定螺栓施加不同的应力σ
i
，并采集对应应力下的超声波信号得到标定波形w
i
，其中i＝1，2，
…
，n，n表示拉伸机施加的不同应力状态数目；S3-3、对标定波形w
i
进行降噪处理，并利用时延算法计算各标定波形w
i
...

【专利技术属性】
技术研发人员：苟国庆，陈兵，邱菲菲，朱忠尹，张曦，高唯，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：