CN114001848A - 一种利用超声测量螺栓剪切力的方法 - Google Patents

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焦光明
李文生
程全士
王川
林忠亮
夏斌宏
万冰华
刘文韬
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Abstract

本发明创造提供了一种利用超声测量螺栓剪切力的方法，结构为螺栓头部或尾部至少具有2个均匀分布相互独立的超声换能器，利用螺栓紧固胶将压电晶片粘贴至螺栓头部或尾部平整端面，或者使用PVD(物理气相沉积)溅射工艺在螺栓头部或尾部平整端面制备一层致密的压电材料作为超声换能器。本发明创造所述的一种利用超声测量螺栓剪切力的方法，通过此方法能够准确的计算出螺栓的剪切力，一种特殊的新型超声换能器结构，再结合声弹性原理可以准确地测量螺栓所受剪切力。

Description

一种利用超声测量螺栓剪切力的方法
技术领域
本发明创造属于航空航天螺栓测试领域，尤其是涉及一种利用超声测量螺栓剪切力的方法。
背景技术
螺栓是工程上大量使用的一类基础零部件，在不同的结构之间通过螺纹起到紧固连接的作用，因其结构简单、拆装方便、紧固效果好等优点被广泛应用于航空航天、道路桥梁、房屋建筑、石油化工等领域。长期以来，螺栓在安装时的预紧力以及服役时的受力情况始终缺乏有效的检测手段，一旦螺栓安装不到位或服役过程中出现松脱未将严重影响整个结构的安全性和可靠性。因此，对螺栓进行有效地应力状态监测对于整体结构健康至关重要。
利用超声技术可以对螺栓的应力状态进行无损检测，具有广阔的应用前景。主要原理是在螺栓头部或尾部端面耦合压电材料作为超声换能器，设置位置一般在螺栓端面的几何中心，形状一般为圆形，如图1所示。在超声换能器上施加高频脉冲电压可以激发出超声信号。超声信号沿螺栓轴线方向向下传播，在另一端面反射后返回到并被超声换能器接收，利用专用的超声测量设备可以测得超声在螺栓内部的传播时间，再结合声弹性原理就可以计算得出螺栓所受轴向应力。
然而上述方法仅对于螺栓轴向力测量具有良好的效果，但在航空航天等领域中多数螺栓还受到剪切力的作用，这种螺栓的抗剪性能往往较抗拉性能更为重要，螺栓剪切力测量目前尚无成熟技术方案。
发明内容
有鉴于此，本发明创造旨在提出一种利用超声测量螺栓剪切力的方法，以解决剪切力无法测量的问题。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
一种超声换能器结构，结构为在螺栓头部或尾部至少为2个均匀分布相互独立的超声换能器。
所述螺栓头部或尾部沿圆周均匀设置若干个等圆弧形，所述螺栓头部或尾部沿圆周均匀设置4个四分之一圆，分别编号为a、b、c、d，如图2所示。需要说明的是，超声换能器各部分形状没有特别的要求，图2中所展示的只是一种典型的换能器结构设计方案。
所述超声换能器为压电晶片或压电材料。
使用压电晶片作为超声换能器，利用螺栓紧固胶粘贴至螺栓头部或尾部平整端面。该方法的优势在于操作方便、成本较低。
利用PVD(物理气相沉积)溅射工艺在螺栓头部或尾部平整端面制备一层致密的压电材料作为超声换能器。该方法的优势在于压电材料与螺栓基体之间结合力强，耐久性好。
一种利用超声测量螺栓剪切力的方法，
S1：利用仪器对对制备好超声换能结构的螺栓进行超声检测；
S2：通过标定试验定量地建立起声时与剪切力的函数模型，得到剪切载荷标定系数K；
S3：选取任一个超声换能器在未受外界载荷的条件下对超声换能器进行一次超声测量，记录第一声时t0，当螺栓在受剪切力状态时，再次对该超声换能器进行一次超声测量，得到第二声时t；
S4：通过公式计算得到剪切应力FQ。
在步骤S1中为利用专用超声测量仪及配套的超声测量探头可以对设置好超声换能器的螺栓进行超声测量。超声测量探头与超声换能器的一个子换能器耦合将会激发超声波纵波，超声波沿螺栓杆径的轴线方向向下传播经下端面反射后再次被该子换能器所接收。超声波由发射经反射到再次换能器接收所用的时间被称为超声传播声时，简称声时。
所述步骤S2中不同材料、规格和几何形状的螺栓函数模型系数会有所不同，因此需要分别进行标定试验，建立函数模型。声时的大小与螺栓所受剪切力的大小有明显的相关性。
在步骤S3中受剪状态下的声时t与未受载状态下的声时t0之差为Δt＝t-t0，在步骤S4中的公式为；
FQ＝K·Δt；
剪切应力FQ，单位为千牛；
第一声时t0，单位为纳秒；
第二声时t，单位为纳秒；
剪切载荷标定系数K。
相对于现有技术，本发明创造所述的一种利用超声测量螺栓剪切力的方法具有以下有益效果：
通过此方法能够准确的计算出螺栓的剪切力，通过设置至少2个超声换能器，检测出线性关系，找到特殊位置，再结合声弹性原理可以准确地测量螺栓所受剪切力，螺栓的抗剪性能往往较抗拉性能更为重要，通过测试剪切应力能够更清晰的得到螺栓的性能。
附图说明
构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
图1为传统超声换能器结构示意图；
图2为本发明创造实施例所述的换能器结构示意图；
图3为螺栓进行标定试验的双剪切工装；
图4为螺栓进行标定试验的双剪切工装的受力情况示意图；
图5为实施例1中的标定试验结果；
图6为实施例1的线性拟合结果。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
下面以航空某型号0.3750-24UNJF-3A规格钛合金螺栓为例，说明剪切力测量方法。螺栓进行标定试验的剪切工装与常见的双剪工装相同，包括上刀片、下刀片和底座，如图3所示，双剪状态下螺栓的受力及换能器对应方位示意图如下图4所示，螺栓上方有一处受力面，螺栓下方有两处受力面。
实施本发明的详细步骤为：
步骤1：选择螺栓头部或尾部平整端面进行打磨抛光，保证粗糙度Ra≤1.6。
步骤2：采用粘贴或溅射的方式在处理过的螺栓端面对称设置四块形状大小相同的换能器，并分别编号a、b、c、d。
步骤3：利用超声测量设备，对超声换能器进行一次功能性检查。检查不合格则重新设置传感器。
(二)进行标定试验
步骤1：将待标定样件放置在双剪试验工装上，并将c编号子换能器旋转至正下方(以c换能器为例，其它换能器原理相同)。
步骤2：设置好超声换能器的螺栓在未受外界载荷的条件下分别对a、b、c、d子换能器进行一次超声测量，得到四个换能器的原始声时t0。
步骤3：通过万能试验机上对设置好超声换能器的螺栓施加剪切力载荷，同时对a、b、c、d子换能器进行一次超声测量，分别记录子换能器此时声时tx。
步骤4：施加不同的剪切力载荷，重复步骤3，得到不同剪切载荷下的声时。实际测量结果如下表1、图5所示。
表1试验数据
Figure BDA0003326457160000051
Figure BDA0003326457160000061
步骤5：选取四个换能器试验结果中，剪切力载荷与声时呈明显正相关的一组数据(即c换能器)计算声时差Δtc＝tc-t0，声时差计算数据如表2所示，线性拟合结果如图6所示。
表2 c换能器声时差
Figure BDA0003326457160000062
通过标定试验得到线性拟合载荷因子K＝1.05612。
(三)剪切力测量精度验证
步骤1：另选一带有相同结构超声换能器的同批次同规格螺栓。
步骤2：将待测样件放置在双剪试验工装上，并将c编号子换能器旋转至正下方。
步骤3：设置好超声换能器的螺栓在未受外界载荷的条件下分别对c编号子换能器进行一次超声测量，得到c编号子换能器的原始声时t0。
步骤4：通过万能试验机上对设置好超声换能器的螺栓施加剪切力载荷，同时对c子换能器进行一次超声测量，记录此时声时tx。
步骤5：施加不同的剪切力载荷，重复步骤4，得到不同剪切载荷下的声时。
步骤6：计算不同载荷下的声时差Δtc＝tc-t0。
步骤7：根据公式FQ＝K·Δtc计算得到所测得剪切力值。
剪切力测量精度验证结果如下表3所示。
表3 c编号换能器剪切力测量试验结果
Figure BDA0003326457160000071
从上述试验结果看，通过本方法进行螺栓剪切力测量相对误差在±10％以内，上述计算过程可以通过编写计算机软件程序自动实现，实际使用只需要进行超声传播时间的测量，操作方便、测量精度较高，有很高的工程应用价值。
另外所述超声均为超声纵波。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超声换能器结构，其特征在于：结构为螺栓头部或尾部至少为2个均匀分布相互独立的超声换能器。
2.根据权利要求1所述的一种超声换能器结构，其特征在于：所述螺栓头部或尾部沿圆周均匀设置若干个等圆弧形。
3.根据权利要求1所述的一种超声换能器结构，其特征在于：所述超声换能器为压电晶片或压电材料。
4.采用权利要求1所述的一种超声换能器结构，一种超声换能器结构的制备方法，其特征在于：利用螺栓紧固胶将压电晶片粘贴至螺栓头部或尾部平整端面，或使用PVD(物理气相沉积)溅射工艺在螺栓头部或尾部平整端面制备一层致密的压电材料作为超声换能器中的一种方法。
5.采用权利要求1所述的一种超声换能器结构，一种利用超声测量螺栓剪切力的方法，其特征在于：
S1：利用仪器对对制备好超声换能结构的螺栓进行超声检测；
S2：通过标定试验定量地建立起声时与剪切力的函数模型，得到剪切载荷标定系数K；
S3：选取任一个超声换能器在未受外界载荷的条件下对超声换能器进行一次超声测量，记录第一声时t0，当螺栓在受剪切力状态时，再次对该超声换能器进行一次超声测量，得到第二声时t；
S4：通过公式计算得到剪切应力FQ。
6.根据权利要求5所述的一种利用超声测量螺栓剪切力的方法，其特征在于：在步骤S1中为利用专用超声测量仪及配套的超声测量探头对设置好超声换能器的螺栓进行超声测量。
7.根据权利要求5所述的一种利用超声测量螺栓剪切力的方法，其特征在于：所述步骤S2中不同材料、规格和几何形状的螺栓函数模型系数会有所不同，因此需要分别进行标定试验，建立函数模型。
8.根据权利要求5所述的一种利用超声测量螺栓剪切力的方法，其特征在于：在步骤S3中受剪状态下的声时t与未受载状态下的声时t0之差为Δt＝t-t0，在步骤S4中的公式为；
FQ＝K·Δt；
剪切应力FQ，单位为千牛；
第一声时t0，单位为纳秒；
第二声时t，单位为纳秒；
剪切载荷标定系数K。
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