CN115855350B - 一种基于一次尾随波与横波结合的螺栓轴力测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于一次尾随波与横波结合的螺栓轴力测量方法，涉及一种螺栓轴力测量方法。螺栓端部设置换能器提供纵波声源，计算一次尾随波声时，在应力为0的点对一次尾随波进行泰勒展开，忽略一阶余项，对于横波声时在应力为0的点进行泰勒展开，并将声速与螺栓长度的变化量带入，给定一次尾随波标定斜率和横波轴力标定斜率，计算横波与一次尾随波声时差与声时和的比值，对在应力为0的点泰勒展开，最终得到轴力标定的斜率和截距，测量获取斜率与截距，根据横波与一次尾随波声时差与声时和的比值通过检测得到的声时得到螺栓轴力。利用尾随波具有稳定的幅值和良好的信噪比，通过一次尾随波与横波结合，提高螺栓轴力测量的准确性。

Description

一种基于一次尾随波与横波结合的螺栓轴力测量方法

技术领域

本发明涉及一种螺栓轴力测量方法，尤其是一种基于一次尾随波与横波结合的螺栓轴力测量方法，属于螺栓轴力检测技术领域。

背景技术

螺栓作为一种重要的紧固件，一旦螺栓出现松动或断裂，不仅可能会造成巨大的经济损失，甚至会造成安全危害。因此，螺栓的正常运行是确保工业生产安全进行的重要环节，对螺栓的轴力检测与监测是保证工业设备健康长时间服役的重要手段。

目前螺栓轴力测量主要采用基于横纵波结合的电磁超声法，然而，传统的电磁超声换能器受限于工作原理，激发纵波的强度受试件材料的电磁性能影响，洛伦兹力与磁化力相互抵消，并且，在铁磁性螺栓中激发的纵波信号信噪比低，信号时有时无，不稳定，难以满足检测需求。鉴于此，本发明通过分析螺栓中尾随波的传播路径，提出一种基于一次尾随波与横波结合的螺栓轴力测量方法，以解决上述问题。

发明内容

为解决背景技术存在的不足，本发明提供一种基于一次尾随波与横波结合的螺栓轴力测量方法，它利用尾随波具有稳定的幅值和良好的信噪比，通过一次尾随波与横波结合，提高螺栓轴力测量的准确性。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种基于一次尾随波与横波结合的螺栓轴力测量方法，包括以下步骤：

在螺栓端部设置换能器提供纵波声源，假设纵波声源距离螺栓侧壁边界d/2-xd，纵波声源到螺栓侧壁边界的声发射角度为a，纵波声源遇到螺栓侧壁边界的SV波反射角度为b，则

一次尾随波声时为：

式中，

表示有应力状态下的一次尾随波声时，d表示有应力状态下的螺栓直径，l表示有应力状态下的螺栓长度，x为常数，V_L表示有应力状态下的纵波波速，V_S表示有应力状态下的横波波速，

根据斯涅耳定律：

则公式(1)化简为：/>

式中，V_L0表示无应力状态下的纵波波速，V_S0表示无应力状态下的横波波速，A、B、C均为常数项，

其中：

在应力为0的点对一次尾随波进行泰勒展开，得到：

忽略一阶余项R₁(θ)，公式(3)简化为：

式中，d₀表示无应力状态下的螺栓直径，l₀表示无应力状态下的螺栓长度，

表示无应力状态下的一次尾随波声时，ν表示泊松比，E表示杨氏模量，C^L表示纵波声弹性常数，C^S表示横波声弹性常数，σ表示应力，

同理，对于横波声时在应力为0的点进行泰勒展开，并将声速与螺栓长度的变化量带入，得到：

式中，t_S表示有应力状态下的横波声时，t_S0表示无应力状态下的横波声时，令

一次尾随波标定斜率

横波轴力标定斜率

则

对公式(7)在应力为0的点泰勒展开，得到结果：

根据公式(4)和公式(5)，

其中，

公式(8)化简为：

轴力标定的斜率

轴力标定的截距/>

在实际测量过程中，首先轴力标定获取k_σ与B_σ，然后根据公式(9)，通过检测得到的一次尾随波与横波声时，即可得到螺栓轴力的值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明首次提出基于一次尾随波与横波结合的螺栓轴力测量方法，通过对一次尾随波传播路径的分析，从原理上验证尾随波与应力满足线性关系，并且验证了尾随波与横波结合测量螺栓轴力的可行性，由于受限于电磁超声换能机理的限制，基于横纵波的电磁超声换能器中激发的纵波强度很弱，信噪比低，而尾随波的产生来源于纵波遇到螺栓侧壁边界的反射波形成，具有稳定的幅值和良好的信噪比，因而本发明方法能够弥补纵波信噪比低的问题，提高螺栓轴力测量的准确性。

附图说明

图1是尾随波的形成云图；

图2是尾随波的传播路径示意图；

图3是实施例的电磁超声螺栓测量信号波形示意图；

图4是实施例的一次尾随波与轴力标定关系曲线图；

图5是实施例的一次尾随波与横波结合的轴力标定关系曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～图2所示，尾随波在螺栓中的产生过程的云图参照图1所示，尾随波在螺栓中是由纵波遇到螺栓侧壁边界反射形成SV波，SV波遇到螺栓侧壁反射形成沿螺栓长度方向传播的尾随波，尾随波再遇到螺栓端面边界沿螺栓长度方向反射，被换能器接收，其传播路径参照图2所示，电磁超声螺栓测量信号波形包含纵波、横波和一次尾随波，而本申请基于一次尾随波与横波的声时提出一种测量螺栓轴力的方法。

一种基于一次尾随波与横波结合的螺栓轴力测量方法，包括以下步骤：

在螺栓端部设置换能器提供纵波声源，所述换能器采用电磁超声换能器，假设纵波声源距离螺栓侧壁边界d/2-xd，纵波声源到螺栓侧壁边界的声发射角度为a，纵波声源遇到螺栓侧壁边界的SV波反射角度为b，则

一次尾随波声时为：

式中，

表示有应力状态下的一次尾随波声时，d表示有应力状态下的螺栓直径，l表示有应力状态下的螺栓长度，x为常数，V_L表示有应力状态下的纵波波速，V_S表示有应力状态下的横波波速。

根据斯涅耳定律：

则公式(1)可化简为：

/>

式中，V_L0表示无应力状态下的纵波波速，V_S0表示无应力状态下的横波波速，A、B、C均为常数项。

其中：

在应力为0的点对一次尾随波进行泰勒展开，得到：

其中一阶余项为：

式中，d₀表示无应力状态下的螺栓直径，l₀表示无应力状态下的螺栓长度，

表示无应力状态下的一次尾随波声时。

直径、长度和声速的变化都是千分之几的量级，一阶余项远小于一阶项，可以忽略一阶余项，由于

ΔV_L＝V_L0C^Lσ，ΔV_S＝V_S0C^Sσ，因此，公式(3)可简化为：

式中，ν表示泊松比，E表示杨氏模量，C^L表示纵波声弹性常数，C^S表示横波声弹性常数，σ表示应力。

由此可得到尾随波声时与轴力是线性的关系，同理，对于横波声时在应力为0的点进行泰勒展开，并将声速与螺栓长度的变化量带入，得到：

式中，t_S表示有应力状态下的横波声时，t_S0表示无应力状态下的横波声时。

因此，令

一次尾随波标定斜率

横波轴力标定斜率

则

对公式(7)在应力为0的点泰勒展开，得到结果：

根据公式(4)和公式(5)，

其中，

因此，公式(8)可以化简为：

式中，D表示横波与一次尾随波声时差与声时和的比值。

k_σ表示轴力标定的斜率，B_σ表示轴力标定的截距。

至此，螺栓轴力与D成线性关系，验证了一次尾随波与横波结合测量螺栓轴力的可行性。

在实际测量过程中，首先轴力标定获取k_σ与B_σ，然后根据公式(9)，通过电磁超声换能器检测得到的一次尾随波与横波声时，即可得到螺栓轴力的值。

实施例

采用本方法选用电磁超声换能器对M30-316的螺栓进行测量，该螺栓直径为30mm，长度为316mm，使用万能电子试验机对螺栓进行步进拉伸试验，夹持长度为250mm，拉力从100kN开始，间隔50kN直到300kN，每个拉伸力值保载2分钟。

电磁超声螺栓测量信号波形参照图3所示，基于对一次尾随波声时的提取，标定的一次尾随波与轴力标定关系曲线参照图4所示，基于一次尾随波与横波结合的的方法，采用公式(9)一次尾随波与横波结合的标定关系曲线参照图5所示，根据标定结果能够验证单独采用一次尾随波，以及一次尾随波与横波结合测量螺栓轴力的可行性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种基于一次尾随波与横波结合的螺栓轴力测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

在螺栓端部设置换能器提供纵波声源，设定纵波声源距离螺栓侧壁边界d/2-xd，纵波声源到螺栓侧壁边界的声发射角度为a，纵波声源遇到螺栓侧壁边界的SV波反射角度为b，则

一次尾随波声时为：

式中，

表示有应力状态下的一次尾随波声时，d表示有应力状态下的螺栓直径，l表示有应力状态下的螺栓长度，x为常数，V_L表示有应力状态下的纵波波速，V_S表示有应力状态下的横波波速，

根据斯涅耳定律：

则公式(1)化简为：

式中，V_L0表示无应力状态下的纵波波速，V_S0表示无应力状态下的横波波速，A、B、C均为常数项，

其中：

在应力为0的点对一次尾随波进行泰勒展开，得到：

/>

忽略一阶余项R₁(θ)，公式(3)简化为：

式中，d₀表示无应力状态下的螺栓直径，l₀表示无应力状态下的螺栓长度，

表示无应力状态下的一次尾随波声时，ν表示泊松比，E表示杨氏模量，C^L表示纵波声弹性常数，C^S表示横波声弹性常数，σ表示应力，

同理，对于横波声时在应力为0的点进行泰勒展开，并将声速与螺栓长度的变化量带入，得到：

式中，t_S表示有应力状态下的横波声时，t_S0表示无应力状态下的横波声时，

令

一次尾随波标定斜率

横波轴力标定斜率/>

则

对公式(7)在应力为0的点泰勒展开，得到结果：

根据公式(4)和公式(5)，

/>

其中，

公式(8)化简为：

轴力标定的斜率

轴力标定的截距/>

在实际测量过程中，首先轴力标定获取k_σ与B_σ，然后根据公式(9)，通过检测得到的一次尾随波与横波声时，即可得到螺栓轴力的值。

2.根据权利要求1所述的一种基于一次尾随波与横波结合的螺栓轴力测量方法，其特征在于：所述换能器采用电磁超声换能器。

3.根据权利要求1所述的一种基于一次尾随波与横波结合的螺栓轴力测量方法，其特征在于：所述一阶余项R₁(θ)为：

其中，

ΔV_L＝V_L0C^Lσ，ΔV_S＝V_S0C^Sσ。/>

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