[发明专利]一种基于超声横波的高强度螺栓剪切应力检测方法

说明书

本发明提出了一种基于超声横波的高强度螺栓剪切应力检测方法，本发明针对实际使用中螺栓剪切应力测量的需求，发明了一种螺栓剪切应力的压电超声检测方法，实现对在役金属材料螺栓实现螺栓所受剪切应力的无损检测。该方法使用压电换能器激发超声横波，基于声弹性效应，推导得出螺栓剪切应力与横波波速的敏感性最高，由此创新性的提出通过使用横波测得螺栓所受剪切应力时得渡越时间来测量螺栓所受剪切应力。本发明的方法，根据声弹性理论原理，使用超声波波速的平方与所受剪切应力的线性关系，相对于从前对声弹性理论进行二级近似来说，具有更好的测量精度。

技术领域

本发明属于超声无损检测技术领域，特别是涉及一种基于超声横波的高强度螺栓剪切应力检测方法。

背景技术

螺栓在制造领域和国防工业中是不可或缺紧固件，其具有组装和拆卸方便、易于维护、防止松动的可重新固定性以及避免连接材料成分发生相变的优点、作为了航空航天、车辆、能源、桥梁、铁路和各种建筑设施等重要基础设施设备的重要组成部分。作为设施或设备装配和工作中的重要紧固件，螺栓的应力状态是影响其服役性能的核心参数。螺栓的轴向应力和剪切应力对工程结构的使用状态、性能和寿命都有较大的影响。螺栓因应力问题会导致连接的结构发生松动，可能导致结构稳定性失调，造成严重的安全事故。为保证整个设备工作的可靠性和安全性，准确方便地对螺栓轴向应力和剪切应力进行实时地检测具有重要意义。

近年来，超声测量方法作为无损检测技术中的一项重要发明被广泛应用于螺栓的应力测量中，基于超声体波的声弹性效应的螺栓内部应力测量也历经多年研究得到了发展和应用。但多数研究都是着眼于针对螺栓的轴向应力进行测量而忽略了螺栓所受的剪切应力，现有的设备中并没有针对螺栓剪切应力进行测量的设备。

对于螺栓的使用而言，剪切应力为在垂直于螺栓轴向的平面上，沿螺栓径向的应力，螺栓横向受力和螺栓预紧工程中所受扭转力都会导致剪切应力的出现。剪切应力过大会使螺栓发生变形，导致连接的结构发生错位，打破整个设备的稳定性，影响设备可靠性和使用安全性。严重时甚至会导致螺栓有断裂的风险，造成严重的安全事故。

2020年，刘海波等在发明专利CN109946379B中，发明了一种单向应力的电测超声检测方法，使用电测超声横纵波探头实现横纵波联合测量螺栓轴向应力。2020年，潘勤学等在发明专利CN111442869A中，发明了一种螺栓轴向应力的非线性超声检测方法，基于超声波在各项同性介质中的传播理论，建立了二次谐波幅值和基波幅值之间的关系模型，得到了螺栓轴向应力的非线性超声检测方法。2020年，水沛等在实用新型专利CN212645940U中，发明了一种包含温度补偿装置的超声波螺栓应力测量装置，该装置基于超声波和温度补偿单元，实现了根据螺栓温度和声时差测量任何温度下螺栓轴向应力。但是上述发明内容都未对螺栓剪切应力进行测量。

发明内容

本发明为了解决现有的技术问题，提出一种基于超声横波的高强度螺栓剪切应力检测方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种基于超声横波的高强度螺栓剪切应力检测方法，包括以下步骤：

步骤1、获取需检测的在役螺栓的复制试件，所述复制试件与待测螺栓的大小，形状，材料和强度均相同；

步骤2、对待测螺栓进行标定实验，获取待测螺栓中超声波横波波速与其所受剪切应力的关系；根据声弹性理论，沿螺栓轴向传播的超声波横波波速与螺栓所受应力的关系成线性关系，其关系简化为：

其中，V_σ为应力为σ时的超声波横波波速，A和k为常数；

步骤3、当螺栓长度已知的时候，根据步骤2所述的关系，通过测量无应力时超声波渡越时间和有应力时超声波渡越时间能够得出螺栓受剪切应力时的波速，进而得出螺栓所受剪切应力大小。

进一步地，所述步骤2具体为：