[发明专利]一种基于不同模态回波信号测量螺栓预紧力的方法

说明书

一种基于不同模态回波信号测量螺栓预紧力的方法，步骤如下：S1、选取基准螺栓用于标定实验；S2、对基准螺栓进行预紧力标定实验，得到基准螺栓在不同预紧力下超声回波信号中A模态和B模态渡越时间的比值；S3、通过线性拟合得到螺栓预紧力与A模态和B模态渡越时间比值之间的函数关系；S4、对待测螺栓进行超声波预紧力测量，得到待测螺栓超声回波信号中得到A模态的渡越时间和B模态的渡越时间的比值；S5、根据螺栓预紧力与A模态和B模态渡越时间比值之间的函数关系和待测螺栓超声回波信号中A模态以及B模态的渡越时间比值，计算待测螺栓的预紧力。该方法仅使用单纵波，即可实现螺栓长度及初始渡越时间未知的情况下已紧固螺栓预紧力测量。

技术领域

本发明涉及一种基于不同模态回波信号测量螺栓预紧力的方法，属于涉超声波螺栓轴力技术领域。

背景技术

螺栓连接结构简单，相比于其他连接方式具有很好的拉伸和剪切性能，其可靠性高，成本低、维护便捷，因而得到广泛应用。在实际工程应用中过高的预紧力会导致螺栓产生严重的塑性变形，从而导致螺栓疲劳或断裂而失效。预紧力不足会引起结构连接的振动、松弛和滑移，从而破坏结构的完整性，影响设备的正常运行。

目前对螺栓轴向预紧力的超声检测方法主要有超声纵波法、超声横纵波法。超声测量螺栓预紧力的研究主要聚焦于大尺寸螺栓，如风力发电、高速列车、桥梁结构等所用螺栓，螺栓直径普遍大于10mm，但对于小尺寸螺栓预紧力的无损检测方法研究较少。然而小尺寸螺栓在航空领域得到广泛应用，如航空发动机等关键零部件，所以对于小螺栓预紧力的测量也不可忽视。

超声纵波法最大的问题就是需要知道零应力下初始长度，对于已经拧上的小螺栓来说，有的情况螺栓不能拆卸，所以无法用纵波声时差法测量其预紧力。超声横纵波法可以避免零应力下的初始长度未知这个问题，但是会出现多次耦合带来较大误差，小尺寸螺栓相较于大尺寸螺栓测量本身就存在较大误差，加上耦合上的误差也会导致这种方法测量误差过大从而导致无法应用于小螺栓测量。而且，如果使用横纵波法，由于小尺寸螺栓的尺寸限制，需要使用高频横波换能器，现有横波压电晶片最大频率一般不超过3MHz，无法实现已紧固小尺寸螺栓的预紧力测量。因此，业界急需一种针对已紧固小尺寸螺栓预紧力的无损检测方法。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种基于不同模态回波信号测量螺栓预紧力的方法，该方法仅使用单纵波，即可在螺栓长度以及初始渡越时间未知的情况下，实现已紧固小尺寸螺栓的预紧力测量。

本发明实现其发明目的所采取的技术方案是：一种基于不同模态回波信号测量螺栓预紧力的方法，其步骤如下：

S1、在与待测螺栓同一批次的螺栓中选取基准螺栓用于标定实验；

S2、在基准螺栓头部表面中心位置布置超声换能器，对基准螺栓进行预紧力标定实验，得到基准螺栓在不同预紧力下的超声回波信号，然后从超声回波信号中得到A模态和B模态渡越时间，并计算基准螺栓在不同预紧力下超声回波信号中A模态和B模态渡越时间比值；

S3、将螺栓预紧力与其所对应的超声回波信号中A模态和B模态渡越时间的比值进行线性拟合，得到螺栓预紧力与A模态和B模态渡越时间比值之间的函数关系；

S4、在待测螺栓头部表面中心位置布置超声换能器，对待测螺栓进行超声波预紧力测量，得到待测螺栓的超声回波信号，然后从超声回波信号中得到A模态的渡越时间和B模态的渡越时间并计算待测螺栓超声回波信号中A模态以及B模态的渡越时间比值：

S5、根据步骤S3得到的螺栓预紧力与A模态和B模态渡越时间比值之间的函数关系和步骤S4得到的待测螺栓超声回波信号中A模态以及B模态的渡越时间比值，计算待测螺栓的预紧力。

进一步，本发明所述超声回波信号中A模态是指一次回波波群中第一个波包，第一个波包中幅值最高的波峰所对应渡越时间为A模态渡越时间；超声回波信号中B模态是指一次回波波群中第N个波包，第N个波包中幅值最高的波峰所对应渡越时间为B模态渡越时间，N≥3。