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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2025-01-07 13:01
螺栓作為連接各類結(jié)構(gòu)的重要部件，廣泛應(yīng)用于航天航空、水利橋梁、鐵路建筑等領(lǐng)域的大型工業(yè)設(shè)備以及鐘表儀器等生活常用物品中。螺栓在裝備或者結(jié)構(gòu)中所承受的載荷應(yīng)力必須在適當(dāng)?shù)姆秶畠?nèi)，否則會(huì)對(duì)整個(gè)設(shè)備的安全性和可靠性產(chǎn)生巨大影響，因此科學(xué)、準(zhǔn)確地檢測(cè)螺栓軸向應(yīng)力對(duì)螺栓連接結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。
當(dāng)前，螺栓軸向應(yīng)力檢測(cè)的常用方法主要包括扭矩扳手法、電阻應(yīng)變片法、X射線衍射法、壓電檢測(cè)法、光測(cè)力學(xué)法和超聲無損檢測(cè)法等。
與其他幾種方法相比，超聲檢測(cè)法具有操作簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)、測(cè)量精度較高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于螺栓軸向應(yīng)力的測(cè)量中。
超聲應(yīng)力測(cè)量方法主要基于聲彈性原理，可分為單波法和雙波法。使用單波法測(cè)量螺栓軸向應(yīng)力時(shí)，必須測(cè)量無應(yīng)力條件下超聲波在螺栓中傳播的渡越時(shí)間，難以測(cè)量已緊固螺栓的軸向應(yīng)力。
由于不需要預(yù)先確定螺栓的長度，因此雙波法更易于測(cè)量已緊固螺栓的軸向應(yīng)力。但橫波的聲彈性常數(shù)相較于縱波的會(huì)更低，導(dǎo)致橫波渡越時(shí)間的變化對(duì)應(yīng)力的敏感性很差，因此雙波法比單波法的測(cè)量精度更低。同時(shí)雙波法必須激發(fā)兩個(gè)不同模式的超聲波或者使用兩個(gè)超聲換能器，安裝和測(cè)量的程序更加復(fù)雜，而可能產(chǎn)生更多的隨機(jī)誤差。
此外，對(duì)于強(qiáng)度較高且長度較短的螺栓而言，應(yīng)力使超聲波在螺栓中的渡越時(shí)間變化更加微小，進(jìn)一步限制了單波法和雙波法的推廣應(yīng)用。
近年來，國內(nèi)外研究人員圍繞該領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究，但各種方法均不能全面反映整個(gè)有效頻段內(nèi)不同頻率成分對(duì)衰減系數(shù)的貢獻(xiàn)程度，從而導(dǎo)致衰減系數(shù)計(jì)算不準(zhǔn)確，影響測(cè)量精度。
本文使用粒子群優(yōu)化算法確定各頻段衰減系數(shù)最優(yōu)歸一化權(quán)重系數(shù)，最后建立多頻段加權(quán)能量衰減系數(shù)模型。試驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于單波法和雙波法，該方法的測(cè)量精度更高，尤其是對(duì)高強(qiáng)度短螺栓的效果更為明顯，具有較好的實(shí)用價(jià)值。
多頻段加權(quán)能量衰減系數(shù)模型
試驗(yàn)所用螺栓的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。假設(shè)該金屬螺栓屬于無織構(gòu)各向同性多晶體材料，故其微觀結(jié)構(gòu)由取向獨(dú)立且由彈性性質(zhì)隨機(jī)分布的晶粒組成。
圖1 試驗(yàn)所用螺栓的結(jié)構(gòu)示意
當(dāng)彈性波從螺栓端面入射時(shí)，該彈性波會(huì)在晶界處發(fā)生散射，聲能向各方向擴(kuò)散，從而能量發(fā)生損耗。當(dāng)螺栓受載時(shí)，其有效受力長度不僅包括夾緊長度Lc，故將螺栓有效受力長度重新定義為：
(1)
式中：Dt和Dr分別為螺栓桿螺紋部分等效直徑和無螺紋螺栓桿直徑。
當(dāng)入射波為縱波時(shí)，結(jié)合散射原理，再進(jìn)一步簡(jiǎn)化可得瑞利散射區(qū)的縱波衰減系數(shù)為：
(2)
式中：
式中：夾緊比例系數(shù)定義為β=Le/L0，ω為中心頻率，ω=2πf0；l為質(zhì)晶粒平均直徑；v為二階各向異性常數(shù)；ρ為材料密度；ζ為綜合各向異性常數(shù)；σ為軸向應(yīng)力；VL和VS分別為縱波和橫波的相速度，(ωl)4/V2?1。
為避免超聲波檢測(cè)信號(hào)中噪聲對(duì)超聲衰減系數(shù)的干擾，更加全面地反映超聲信號(hào)的各頻率成分對(duì)衰減系數(shù)的貢獻(xiàn)，本文利用超聲第一次和第二次回波信號(hào)的頻譜能量比值計(jì)算螺栓試件中的超聲衰減系數(shù)。由于該衰減系數(shù)與超聲回波信號(hào)的能量息息相關(guān)，也被稱為頻譜能量衰減系數(shù)。
超聲回波時(shí)域信號(hào)曲線如圖2所示，根據(jù)超聲回波特點(diǎn)，采用矩形窗口截取第一次底面回波信號(hào)v1(t)和第二次底面回波信號(hào)v2(t)，將時(shí)域回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)。
圖2 超聲回波時(shí)域信號(hào)曲線
衰減系數(shù)對(duì)超聲信號(hào)的頻率比較敏感，在不同頻率下測(cè)得的衰減系數(shù)并不相同。為提高模型參數(shù)標(biāo)定的效果以及螺栓應(yīng)力的測(cè)量精度，需要構(gòu)造螺栓軸向應(yīng)力與衰減系數(shù)擬合精度較高的曲線。
本文基于粒子群優(yōu)化算法獲得不同頻段下的超聲衰減系數(shù)的最優(yōu)歸一化權(quán)重系數(shù)，從而獲得一個(gè)多頻段加權(quán)能量衰減系數(shù)作為最終的衰減系數(shù)，以更加準(zhǔn)確地測(cè)量螺栓軸向應(yīng)力。最后得到多頻段加權(quán)能量衰減系數(shù)為（具體推導(dǎo)方法請(qǐng)參見原文）：
(3)
結(jié)合式(2)和式(3)即可進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定和測(cè)量試驗(yàn)。
試驗(yàn)系統(tǒng)及螺栓試件制備
試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示，主要包括拉伸試驗(yàn)機(jī)、超聲換能器、超聲脈沖發(fā)射卡、脈沖發(fā)射和數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)。
圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成
使用由上海協(xié)強(qiáng)公司設(shè)計(jì)的CTM2200S型拉伸試驗(yàn)機(jī)，其內(nèi)置壓力傳感器，測(cè)力精度為0.3%。
超聲換能器使用OLYMPUS公司的A112S-RM型縱波探頭。超聲發(fā)射接收板卡采用美國IMAGIMANT公司的JSR PRC50型板卡，最大激勵(lì)電壓可達(dá)475 V，該板卡集成了一個(gè)前置放大器，其放大范圍為-14~60 dB。
數(shù)據(jù)采集卡為AD-Link PCIe9852型板卡，采樣位數(shù)為14位，最大采樣頻率可達(dá)200 MHz。
選用美國BSI公司的FieldGo N9 ATX型工控機(jī)，該工控機(jī)將PRC50脈沖發(fā)射卡和PCIe-9852數(shù)據(jù)采集卡通過PCI卡槽集成，從而進(jìn)行脈沖發(fā)射與信號(hào)采集工作。超聲脈沖發(fā)射接收卡以及數(shù)據(jù)采集卡均通過PCI總線集成在工控機(jī)內(nèi)。
拉伸機(jī)集成了壓力傳感器，工控機(jī)可以通過RS232串口與拉伸試驗(yàn)機(jī)控制盒進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)拉伸試驗(yàn)機(jī)動(dòng)作以及壓力傳感器讀數(shù)。選取不同規(guī)格的兩顆螺栓作為試驗(yàn)對(duì)象，螺栓試件實(shí)物及其詳細(xì)參數(shù)如圖4所示。
圖4 螺栓試件實(shí)物及其詳細(xì)參數(shù)
螺栓參數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)
為避免溫度變化對(duì)材料衰減和聲速的影響，整個(gè)試驗(yàn)裝置位于實(shí)驗(yàn)室中，在參數(shù)校準(zhǔn)試驗(yàn)以及應(yīng)力測(cè)量試驗(yàn)期間，通過中央空調(diào)保持環(huán)境溫度恒定，將溫度波動(dòng)范圍控制在±1 ℃內(nèi)。
首先使用拉伸機(jī)對(duì)試件A和B施加0~200 MPa的載荷，加載步長為10 MPa。兩顆不同長度和強(qiáng)度等級(jí)的試件在不同夾緊長度下，分別使用衰減系數(shù)法、單波法以及雙波法得到的標(biāo)定數(shù)據(jù)和擬合結(jié)果如圖5所示。
圖5 使用不同方法的螺栓應(yīng)力標(biāo)定數(shù)據(jù)和擬合結(jié)果
由圖5可以看出，隨著夾緊長度的變化，擬合曲線的斜率也會(huì)發(fā)生變化。因此需對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，取不同夾緊長度對(duì)應(yīng)的參數(shù)a和b的平均值作為校準(zhǔn)后的參數(shù)，從而得到校準(zhǔn)模型用于螺栓應(yīng)力測(cè)量，校準(zhǔn)結(jié)果如表1所示。
表1 螺栓試件在不同方法下的參數(shù)標(biāo)定結(jié)果
則3種方法校準(zhǔn)后的螺栓A和B參數(shù)標(biāo)定模型分別為：
由圖5可知，衰減系數(shù)法對(duì)試件A和B的標(biāo)定精度更高，對(duì)高強(qiáng)度短螺栓B的標(biāo)定精度更高，擬合線性度更好。而單波法和雙波法對(duì)試件A和B的標(biāo)定精度相對(duì)較低，對(duì)螺栓B的擬合線性度較差。
由此可知，本文所提出的多頻段加權(quán)衰減系數(shù)法更適合測(cè)量高強(qiáng)度短螺栓的應(yīng)力。
螺栓應(yīng)力測(cè)量試驗(yàn)
利用上述試件標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量試驗(yàn)。對(duì)試件進(jìn)行加載，加載范圍為0~200 MPa，加載步長為20 MPa，采集回波信號(hào)計(jì)算衰減系數(shù)和渡越時(shí)間。
其中，通過第一次底面回波和第二次底面回波計(jì)算多頻段加權(quán)能量衰減系數(shù)，單波法需要計(jì)算超聲縱波在螺栓受載前后的渡越時(shí)間差值，雙波法需要獲取螺栓在受載狀態(tài)下的縱橫波渡越時(shí)間，計(jì)算出其比值。
最后，將衰減系數(shù)、渡越時(shí)間差和渡越時(shí)間比分別代入標(biāo)定試驗(yàn)建立的模型中，分別得出3種方法下的應(yīng)力測(cè)量結(jié)果。試件A和B分別在3種方法下的測(cè)量結(jié)果如表2和3所示。
表2 試件A在3種方法下的應(yīng)力測(cè)量結(jié)果
表3 試件B在3種方法下的應(yīng)力測(cè)量結(jié)果
由表2可知，所提多頻段加權(quán)衰減系數(shù)法對(duì)強(qiáng)度等級(jí)為8.8級(jí)的螺栓試件A具有較好的測(cè)量效果，平均絕對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差分別為3.82 MPa和4.57%。
當(dāng)螺栓處于低應(yīng)力狀態(tài)下時(shí)（即軸向應(yīng)力小于80 MPa），單波法和雙波法均會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差，且雙波法的測(cè)量誤差最大。其中，螺栓試件A的單波法測(cè)量的平均絕對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差分別為4.86 MPa和5.78%，雙波法的測(cè)量平均絕對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差分別為12.94 MPa和14.79%。
這是因?yàn)椴杉ǖ淖畲蟛蓸宇l率為200 MHz，分辨率只有5 ns，采集信號(hào)會(huì)損失許多跨越時(shí)間信息。另外，換能器產(chǎn)生的超聲波必須通過耦合劑才能進(jìn)入螺栓內(nèi)部，且橫波探頭所用的耦合劑穩(wěn)定性較差，從而引入了更不可控的耦合誤差。
因此，使用雙換能器的雙波法測(cè)量效果比使用單換能器的衰減系數(shù)法和單波法的差很多。
由表3可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于強(qiáng)度等級(jí)為10.9的高強(qiáng)度短螺栓B來說，渡越時(shí)間受螺栓軸向應(yīng)力影響產(chǎn)生的變化量進(jìn)一步降低，從而導(dǎo)致單波法與雙波法的測(cè)量誤差急劇增大。尤其是對(duì)于雙波法而言，螺栓B的平均絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差分別達(dá)到了16.47 MPa和17.05%，已經(jīng)難以滿足工程應(yīng)用需求。
相反，與螺栓A相比，螺栓B的衰減效應(yīng)更加明顯，其超聲回波的能量衰減系數(shù)對(duì)螺栓所受軸向應(yīng)力更加敏感。利用衰減系數(shù)法測(cè)量螺栓B軸向應(yīng)力的平均絕對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差分別為2.90 MPa 和3.09%，可滿足工程應(yīng)用的需求。
3種方法相對(duì)測(cè)量誤差的箱線圖如圖6所示，圖中IQR為四分位距，該圖直觀地展示了衰減系數(shù)法、單波法、雙波法的應(yīng)力評(píng)估效果以及穩(wěn)定性。
圖6 3種方法的螺栓應(yīng)力測(cè)量誤差分析
總體而言，衰減系數(shù)法的測(cè)量誤差明顯小于單波法和雙波法，特別是測(cè)量短螺栓時(shí)仍能保持較高的測(cè)量精度，衰減系數(shù)法的測(cè)量效果并未因螺栓長度更短和強(qiáng)度更高而受到影響。
然而，單波法和雙波法對(duì)高強(qiáng)度短螺栓的測(cè)量精度和穩(wěn)定性明顯降低。因此，相較于單波法和雙波法，衰減系數(shù)方法對(duì)螺栓軸向應(yīng)力的測(cè)量精度和穩(wěn)定性均有提升，更適用于高強(qiáng)度短螺栓連接的工業(yè)場(chǎng)景，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。
結(jié)語
研究了超聲波在受載多晶螺栓中的傳播特性，提出了一種基于多頻段加權(quán)超聲能量衰減系數(shù)的螺栓軸向應(yīng)力測(cè)量方法，并通過標(biāo)定和測(cè)量試驗(yàn)證明了該方法的有效性。
試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法對(duì)不同強(qiáng)度螺栓的測(cè)量平均相對(duì)誤差明顯低于單波法和雙波法，尤其是對(duì)高強(qiáng)度短螺栓測(cè)量平均相對(duì)誤差僅為3.09%，能滿足大多數(shù)測(cè)量精度需求，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
來源：《無損檢測(cè)》2024年12期
第一作者簡(jiǎn)介：何宇琪，工程師，主要從事集輸工藝的研究工作。
來源：無損檢測(cè)NDT
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