[发明专利]一种螺栓轴向应力的非线性超声检测方法

权利要求书

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。