[发明专利]一种利用超声测量螺栓剪切力的方法

说明书

本发明创造提供了一种利用超声测量螺栓剪切力的方法，结构为螺栓头部或尾部至少具有2个均匀分布相互独立的超声换能器，利用螺栓紧固胶将压电晶片粘贴至螺栓头部或尾部平整端面，或者使用PVD(物理气相沉积)溅射工艺在螺栓头部或尾部平整端面制备一层致密的压电材料作为超声换能器。本发明创造所述的一种利用超声测量螺栓剪切力的方法，通过此方法能够准确的计算出螺栓的剪切力，一种特殊的新型超声换能器结构，再结合声弹性原理可以准确地测量螺栓所受剪切力。

技术领域

本发明创造属于航空航天螺栓测试领域，尤其是涉及一种利用超声测量螺栓剪切力的方法。

背景技术

螺栓是工程上大量使用的一类基础零部件，在不同的结构之间通过螺纹起到紧固连接的作用，因其结构简单、拆装方便、紧固效果好等优点被广泛应用于航空航天、道路桥梁、房屋建筑、石油化工等领域。长期以来，螺栓在安装时的预紧力以及服役时的受力情况始终缺乏有效的检测手段，一旦螺栓安装不到位或服役过程中出现松脱未将严重影响整个结构的安全性和可靠性。因此，对螺栓进行有效地应力状态监测对于整体结构健康至关重要。

利用超声技术可以对螺栓的应力状态进行无损检测，具有广阔的应用前景。主要原理是在螺栓头部或尾部端面耦合压电材料作为超声换能器，设置位置一般在螺栓端面的几何中心，形状一般为圆形，如图1所示。在超声换能器上施加高频脉冲电压可以激发出超声信号。超声信号沿螺栓轴线方向向下传播，在另一端面反射后返回到并被超声换能器接收，利用专用的超声测量设备可以测得超声在螺栓内部的传播时间，再结合声弹性原理就可以计算得出螺栓所受轴向应力。

然而上述方法仅对于螺栓轴向力测量具有良好的效果，但在航空航天等领域中多数螺栓还受到剪切力的作用，这种螺栓的抗剪性能往往较抗拉性能更为重要，螺栓剪切力测量目前尚无成熟技术方案。

发明内容

有鉴于此，本发明创造旨在提出一种利用超声测量螺栓剪切力的方法，以解决剪切力无法测量的问题。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种超声换能器结构，结构为在螺栓头部或尾部至少为2个均匀分布相互独立的超声换能器。

所述螺栓头部或尾部沿圆周均匀设置若干个等圆弧形，所述螺栓头部或尾部沿圆周均匀设置4个四分之一圆，分别编号为a、b、c、d，如图2所示。需要说明的是，超声换能器各部分形状没有特别的要求，图2中所展示的只是一种典型的换能器结构设计方案。

所述超声换能器为压电晶片或压电材料。

使用压电晶片作为超声换能器，利用螺栓紧固胶粘贴至螺栓头部或尾部平整端面。该方法的优势在于操作方便、成本较低。

利用PVD(物理气相沉积)溅射工艺在螺栓头部或尾部平整端面制备一层致密的压电材料作为超声换能器。该方法的优势在于压电材料与螺栓基体之间结合力强，耐久性好。

一种利用超声测量螺栓剪切力的方法，

S1：利用仪器对对制备好超声换能结构的螺栓进行超声检测；

S2：通过标定试验定量地建立起声时与剪切力的函数模型，得到剪切载荷标定系数K；

S3：选取任一个超声换能器在未受外界载荷的条件下对超声换能器进行一次超声测量，记录第一声时t₀，当螺栓在受剪切力状态时，再次对该超声换能器进行一次超声测量，得到第二声时t；

S4：通过公式计算得到剪切应力F_Q。

在步骤S1中为利用专用超声测量仪及配套的超声测量探头可以对设置好超声换能器的螺栓进行超声测量。超声测量探头与超声换能器的一个子换能器耦合将会激发超声波纵波，超声波沿螺栓杆径的轴线方向向下传播经下端面反射后再次被该子换能器所接收。超声波由发射经反射到再次换能器接收所用的时间被称为超声传播声时，简称声时。