一种螺栓轴向应力的非线性超声检测方法技术

本发明专利技术提供一种螺栓轴向应力的非线性超声检测方法，其实施步骤如下：步骤A：基于超声波在各向同性介质中的传播理论，建立二次谐波幅值与基波幅值之间的关系模型，得到相对非线性系数的表达式；步骤B：对螺栓试样进行轴向应力加载实验并进行非线性超声检测，计算出不同应力状态下的相对非线性系数；步骤C：对加载的轴向应力和对应的相对非线性系数进行拟合，确定螺栓轴向应力超声检测系数，最终得到螺栓轴向应力和相对非线性系数的关系式；通过以上步骤，可以实现螺栓轴向应力的非线性超声检测，该方法可以对螺栓的轴向应力进行快速、准确地检测，提高螺栓轴向应力检测技术的准确性和实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种螺栓轴向应力的非线性超声检测方法一.
本专利技术提出了一种螺栓轴向应力的非线性超声检测方法，它涉及螺栓紧固件检测
二.
技术介绍
螺栓作为一种常见的紧固件，以其连接性能好、拆卸简单、成本低的优势广泛应用于航空航天、铁路交通、船舶轮机、装甲车辆、民用制造等工业领域中，用来保证良好的连接性能或密封效果。在服役过程中要求螺栓要保持足够的强度和刚度，来满足整体结构的稳定性要求。但在工作过程中螺栓不可避免地受到轴向力的作用，随着时间的累积，螺栓的整体性能会发生退化，对其服役性能以及使用寿命有着很大的影响。在极端情况下，甚至会发生螺栓突然断裂的情况，造成重大的人员安全事故和财产损失。因此，对螺栓所受到的轴向力进行检测十分必要。由于超声波的传播过程可以直接反映材料的内部特性，因此超声波检测技术成为评估材料性能的主要方法之一。传统的超声检测方法是通过声速与应力之间的关系来对材料的应力进行评估，然而当应力变化100MPa时，声速仅变化0.01％，因此，通过波速的变化来反映材料所受应力不够准确。非线性超声检测技术作为一种无损检测的新方法，能够精确地表征固体材料微结构的变化，近年来受到了广泛的研究。材料微结构的变化大多是由位错和滑移引起的，超声波在材料内部传播的时候，会与这些微观缺陷作用而产生非线性响应，导致波形发生畸变，产生高次谐波。本专利技术提出了一种螺栓轴向应力的非线性超声检测方法，具有较好的通用性及创新性，可以实现螺栓轴向应力的准确、快速测定。三.
技术实现思路
1.专利技术目的r>本专利技术的目的是提供一种螺栓轴向应力的非线性超声检测方法，用来对螺栓轴向应力进行快速、准确地检测，提高螺栓轴向应力检测技术的准确性和实用性。2.技术方案本专利技术提供一种螺栓轴向应力的非线性超声检测方法，其实施步骤如下：步骤A：基于超声波在各向同性介质中的传播理论，建立二次谐波幅值与基波幅值之间的关系模型，得到相对非线性系数的表达式；步骤B：对螺栓试样进行轴向应力加载实验并进行非线性超声检测，计算出不同应力状态下的相对非线性系数；步骤C：对加载的轴向应力和对应的相对非线性系数进行拟合，确定螺栓轴向应力超声检测系数，最终得到螺栓轴向应力和相对非线性系数的关系式；通过以上步骤，可以实现螺栓轴向应力的非线性超声检测，该方法可以对螺栓的轴向应力进行快速、准确地检测，提高螺栓轴向应力检测技术的准确性和实用性。其中，步骤A中所述的“基于超声波在各向同性介质中的传播理论，建立二次谐波幅值与基波幅值之间的关系模型，得到相对非线性系数的表达式”，其具体做法如下：根据超声波在各向同性介质中的传播规律，其一维波动方程如下：式(1)中：ρ——材料的密度；u——x方向的位移；t——传播时间；σ——x方向的应力；x——超声波的传播距离；x方向的应力与应变的关系为：σ＝E·f(ε)(2)式(2)中：E——材料的弹性模量；f(ε)——应变函数；x方向的正应变定义为：把式(2)、(3)代入式(1)：其中把式(5)代入式(4)得：式(6)中：c——超声波波速；β——二阶非线性系数；δ——三阶非线性系数；该方程没有一般解析解，一般采用微扰近似理论进行求解，即将所求参数进行幂级数展开进行求解，得到：式(7)中：A1——基波幅值；k——波数；ω——角频率；令式(7)中第二项的系数为二次谐波幅值A2，第三项的系数为三次谐波幅值A3，以此类推，非线性系数可以表示为：在超声非线性响应中，高次谐波的幅值一般比基波幅值低两个数量级以上，三次谐波的幅值相当微弱，所以通常一般只利用二次谐波来进行表征；当激发频率一定时，超声波的波数也就确定，在传播距离不变的情况下，只需得到相对非线性系数(即β′)就可以表征材料内部的性能变化情况，其中二阶相对非线性系数为由式(10)可知，二阶相对非线性系数β′与基波幅值的平方A12成反比，与二次谐波幅值A2成正比；因此，当使用非线性超声方法检测螺栓轴向应力时，只需测得基波幅值与二次谐波幅值即可。其中，步骤B中所述的“对螺栓试样进行轴向应力加载实验并进行非线性超声检测，计算出不同应力状态下的相对非线性系数”，其做法如下：首先准备待测的螺栓试样，对螺栓进行不同数值的轴向应力加载，施加的轴向应力分别命名为F1,F2,…,Fn，然后在不同的受载状态下分别对螺栓进行非线性超声检测，获得非线性响应信号，计算相应的相对非线性系数，分别命名为β′1,β′2,…,β′n；以上所述过程的具体步骤如下：步骤B1：准备待测螺栓试样，在待测螺栓试样的弹性限度(即σE)内对其进行轴向应力加载实验，设定加载应力值的间隔(即s)，加载至目标应力值Fi(Fi表示第i次轴向应力加载实验所施加的轴向应力)时，停止加载；步骤B2：采用“一发一收”的检测方法，超声波经发射换能器进入待测螺栓试样，接收换能器在螺栓另一端接收信号，其中，接收换能器的中心频率为发射换能器中心频率的2倍，以便接收二次谐波信号；发射换能器和螺栓端面、接收换能器和螺栓另一端面之间使用耦合剂进行稳定耦合，在最大程度上减小超声波在传播过程中的衰减，确保能接收到稳定的二次谐波信号，然后对轴向应力为Fi的螺栓进行非线性超声检测实验，得到频域信号的实验数据；步骤B3：由于实验系统以及实验环境的影响，接收到的超声信号中含有目标频率之外的信号，为了得到理想的频域波形，使用Matlab工具对原始采样数据进行滤波处理，消除高频信号的影响，得到滤波后的频域信号图，读出该应力条件下接收信号的基波幅值(即A1i)和二次谐波幅值(即A2i)；步骤B4：根据公式(10)由A1i和A2i计算得到相对非线性系数β′i(β′i表示当轴向应力为Fi时的相对非线性系数)；重复步骤B1～B4，每次施加的轴向应力比前一次增加s，在螺栓的弹性限度内重复若干次实验，计算得到一组相对非线性系数。其中，步骤C中所述的“对加载的轴向应力和对应的相对非线性系数进行拟合，确定螺栓轴向应力超声检测系数，最终得到螺栓轴向应力和相对非线性系数的关系式”，其做法如下：将螺栓的轴向应力F1，F2，…，Fn和计算得到的相对非线性系数β′1，β′2，…，β′n一一对应，以β′1，β′2，…，β′n作为自变量，以F1，F2，…，Fn作为因变量，进行线性拟合，得到相对非线性系数β′和螺栓轴向应力F的关系曲线；以上所述过程的具体步骤如下：步骤C1：使用Matlab工具对实验中施加的轴向应力F和相应的相对非线性系数β′进行线性拟合，其中，β′作为自变量，F作为因变量，得到超声检测系数(即a，b)；步骤C2：将超声检测系数代入线性方程，得到螺栓轴向应力F和相对非线性系数β′的关系式：F＝aβ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种螺栓轴向应力的非线性超声检测方法，其特征在于，其实施步骤如下：/n步骤A：基于超声波在各向同性介质中的传播理论，建立二次谐波幅值与基波幅值之间的关系模型，得到相对非线性系数的表达式；/n步骤B：对螺栓试样进行轴向应力加载实验并进行非线性超声检测，计算出不同应力状态下的相对非线性系数；/n步骤C：对加载的轴向应力和对应的相对非线性系数进行拟合，确定螺栓轴向应力超声检测系数，最终得到螺栓轴向应力和相对非线性系数的关系式。/n

【技术特征摘要】
1.一种螺栓轴向应力的非线性超声检测方法，其特征在于，其实施步骤如下：
步骤A：基于超声波在各向同性介质中的传播理论，建立二次谐波幅值与基波幅值之间的关系模型，得到相对非线性系数的表达式；
步骤B：对螺栓试样进行轴向应力加载实验并进行非线性超声检测，计算出不同应力状态下的相对非线性系数；
步骤C：对加载的轴向应力和对应的相对非线性系数进行拟合，确定螺栓轴向应力超声检测系数，最终得到螺栓轴向应力和相对非线性系数的关系式。


2.根据权利要求1所述的一种螺栓轴向应力的非线性超声检测方法，其特征在于：
在步骤A中所述的“基于超声波在各向同性介质中的传播理论，建立二次谐波幅值与基波幅值之间的关系模型，得到相对非线性系数的表达式”，其具体做法如下：
根据超声波在各向同性介质中的传播规律，其一维波动方程如下：



式(1)中：
ρ——材料的密度；
u——x方向的位移；
t——传播时间；
σ——x方向的应力；
x——超声波的传播距离；
x方向的应力与应变的关系为：
σ＝E·f(ε)(2)
式(2)中：
E——材料的弹性模量；
f(ε)——应变函数；
x方向的正应变定义为：



把式(2)、(3)代入式(1)：



其中



把式(5)代入式(4)得：



式(6)中：
c——超声波波速；
β——二阶非线性系数；
δ——三阶非线性系数；
该方程没有解析解，采用微扰近似理论进行求解，即将所求参数进行幂级数展开进行求解，得到：



式(7)中：
A1——基波幅值；
k——波数；
ω——角频率；
令式(7)中第二项的系数为二次谐波幅值A2，第三项的系数为三次谐波幅值A3，以此类推，非线性系数能表示为：






在超声非线性响应中，高次谐波的幅值比基波幅值低两个数量级以上，三次谐波的幅值相当微弱，所以只利用二次谐波来进行表征；当激发频率一定时，超声波的波数也就确定，在传播距离不变的情况下，只需得到相对非线性系数β′就能表征材料内部的性能变化情况，其中二阶相对非线性系数为



由式(10)知，二阶相对非线性系数β′与基波幅值的平方A12成反比，与二次谐波幅值A2成正比；因此，当使用非线性超声方法检测螺栓轴向应力时，只需测得基波幅值与二次谐波幅值即可。


3.根据权利要求1所述的一种螺栓轴向应力的非线性超声检测方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘勤学，常梅乐，李双阳，徐晓宇，潘瑞鹏，张云淼，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11