[发明专利]一种基于微分法的螺栓紧固轴力超声检测方法

权利要求书

1.一种基于微分法的螺栓紧固轴力超声检测方法，其特征在于：该方法实施歩骤如下：

歩骤(1)、基于有限元理论和声弹性理论，建立螺栓紧固轴力和超声传播时间差之间的数学关系，建立螺栓紧固轴力超声检测原理模型；

歩骤(2)、根据螺栓连接的规格和夹紧距离，建立螺栓连接结构，包括螺栓、螺母、被连接件的有限元模型，并进行静力学仿真，获取螺栓中轴线上的轴向应力数据，计算得到螺栓形状因子；

歩骤(3)、按照《GB/T32073-2015无损检测残余应力超声临界折射纵波检测方法》对与待测螺栓材质相同的标准拉伸试样进行加载实验；为提高检测时间的分辨力，利用一维快速傅里叶插值方法和互相关方法对采样数据进行处理；对加载应力和测得的时间差进行线性拟合，得到螺栓材料的声弹性系数；

歩骤(4)、将螺栓形状因子、声弹性系数及其它螺栓材料属性参数代入检测原理模型，从而确定螺栓紧固轴力超声检测系数。

2.根据权利要求1所述的一种基于微分法的螺栓紧固轴力超声检测方法，其特征在于：

在步骤(1)中所述的“超声传播时间”，是指超声脉冲在螺栓一端面垂直入射，到达螺栓另一端面后发生反射，再次回到脉冲发射端面时所需的飞行总时间；

在步骤(1)中所述的“基于有限元理论和声弹性理论，建立螺栓紧固轴力和超声传播时间差之间的数学关系，建立螺栓紧固轴力超声检测原理模型”，其具体作法如下：

根据声弹性理论，当各项同性固体材料受到单方向的应力作用时，沿应力方向传播的超声纵波声速能推导为：

V_L＝V_L0(1-K_Lσ) (1)

式(1)中：

V_L——纵波声速；

V_L0——零应力状态下的纵波声速；

K_L——纵波的声弹性系数；

σ——应力，规定拉应力为正值、压应力为负值；

由于螺栓内部轴向应力不是均匀分布的，且超声传播路径沿着螺栓的中轴线，因此在紧固力的作用下，螺栓中轴线上的轴向应力表示为：

σ＝σ(F,z) (2)

式(2)中：F为螺栓的紧固轴力；z为螺栓的轴向位置坐标；

将超声传播路径分为若干小的单元，长度为dz，当单元尺寸足够小时，能认为在该单元路径上的应力是相同的，则在第i个单元路径上紧固力引起的声时变化：

式(3)中：dt_i为第i个单元路径上的声时变化；σ_i为第i个单元路径上的轴向应力；E为螺栓材料的杨氏模量；

K_L为10^-11数量级，σ为10⁸数量级，K_L·σ＜＜1，故对式(3)进一步化简能得：

假设螺栓中轴线上的单元数量为N，当采用自发自收的超声激励和接收方式时，超声传播过程包括去程和回程，则紧固轴力引起的超声纵波在螺栓内总的传播时间变化量Δt为：

假设螺栓原长为L₀，当单元尺寸足够小时，式(5)能写成积分形式：

假设对于同一规格的螺栓，当夹紧距离相同时螺栓中轴线上的轴向应力与紧固力成正比，则式(2)表示为：

σ＝σ(F,z)＝F·m(z) (7)

式(7)中：m(z)为与螺栓的规格和轴向位置有关的变量，数值上等于单位紧固轴力作用下螺栓中轴线上的轴向应力值；

将式(7)代入式(6)得：

令

则式(8)最终化简为：

式(11)中：

λ为螺栓形状因子，其与螺栓的规格、形状和夹紧距离有关；

k为螺栓紧固轴力超声检测系数；

V_L0、K_L、E均为螺栓材料的固有属性，因此，对于同一材质的螺栓，当使用超声法测量螺栓的紧固轴力时，其检测系数只与螺栓形状因子有关。