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嘉峪檢測網 2025-01-07 13:01
螺栓作為連接各類結構的重要部件，廣泛應用于航天航空、水利橋梁、鐵路建筑等領域的大型工業設備以及鐘表儀器等生活常用物品中。螺栓在裝備或者結構中所承受的載荷應力必須在適當的范圍之內，否則會對整個設備的安全性和可靠性產生巨大影響，因此科學、準確地檢測螺栓軸向應力對螺栓連接結構至關重要。
當前，螺栓軸向應力檢測的常用方法主要包括扭矩扳手法、電阻應變片法、X射線衍射法、壓電檢測法、光測力學法和超聲無損檢測法等。
與其他幾種方法相比，超聲檢測法具有操作簡單、可靠性強、測量精度較高等特點，廣泛應用于螺栓軸向應力的測量中。
超聲應力測量方法主要基于聲彈性原理，可分為單波法和雙波法。使用單波法測量螺栓軸向應力時，必須測量無應力條件下超聲波在螺栓中傳播的渡越時間，難以測量已緊固螺栓的軸向應力。
由于不需要預先確定螺栓的長度，因此雙波法更易于測量已緊固螺栓的軸向應力。但橫波的聲彈性常數相較于縱波的會更低，導致橫波渡越時間的變化對應力的敏感性很差，因此雙波法比單波法的測量精度更低。同時雙波法必須激發兩個不同模式的超聲波或者使用兩個超聲換能器，安裝和測量的程序更加復雜，而可能產生更多的隨機誤差。
此外，對于強度較高且長度較短的螺栓而言，應力使超聲波在螺栓中的渡越時間變化更加微小，進一步限制了單波法和雙波法的推廣應用。
近年來，國內外研究人員圍繞該領域進行了大量研究，但各種方法均不能全面反映整個有效頻段內不同頻率成分對衰減系數的貢獻程度，從而導致衰減系數計算不準確，影響測量精度。
本文使用粒子群優化算法確定各頻段衰減系數最優歸一化權重系數，最后建立多頻段加權能量衰減系數模型。試驗結果表明，相對于單波法和雙波法，該方法的測量精度更高，尤其是對高強度短螺栓的效果更為明顯，具有較好的實用價值。
多頻段加權能量衰減系數模型
試驗所用螺栓的結構示意如圖1所示。假設該金屬螺栓屬于無織構各向同性多晶體材料，故其微觀結構由取向獨立且由彈性性質隨機分布的晶粒組成。
圖1 試驗所用螺栓的結構示意
當彈性波從螺栓端面入射時，該彈性波會在晶界處發生散射，聲能向各方向擴散，從而能量發生損耗。當螺栓受載時，其有效受力長度不僅包括夾緊長度Lc，故將螺栓有效受力長度重新定義為：
(1)
式中：Dt和Dr分別為螺栓桿螺紋部分等效直徑和無螺紋螺栓桿直徑。
當入射波為縱波時，結合散射原理，再進一步簡化可得瑞利散射區的縱波衰減系數為：
(2)
式中：
式中：夾緊比例系數定義為β=Le/L0，ω為中心頻率，ω=2πf0；l為質晶粒平均直徑；v為二階各向異性常數；ρ為材料密度；ζ為綜合各向異性常數；σ為軸向應力；VL和VS分別為縱波和橫波的相速度，(ωl)4/V2?1。
為避免超聲波檢測信號中噪聲對超聲衰減系數的干擾，更加全面地反映超聲信號的各頻率成分對衰減系數的貢獻，本文利用超聲第一次和第二次回波信號的頻譜能量比值計算螺栓試件中的超聲衰減系數。由于該衰減系數與超聲回波信號的能量息息相關，也被稱為頻譜能量衰減系數。
超聲回波時域信號曲線如圖2所示，根據超聲回波特點，采用矩形窗口截取第一次底面回波信號v1(t)和第二次底面回波信號v2(t)，將時域回波信號轉換為頻域信號。
圖2 超聲回波時域信號曲線
衰減系數對超聲信號的頻率比較敏感，在不同頻率下測得的衰減系數并不相同。為提高模型參數標定的效果以及螺栓應力的測量精度，需要構造螺栓軸向應力與衰減系數擬合精度較高的曲線。
本文基于粒子群優化算法獲得不同頻段下的超聲衰減系數的最優歸一化權重系數，從而獲得一個多頻段加權能量衰減系數作為最終的衰減系數，以更加準確地測量螺栓軸向應力。最后得到多頻段加權能量衰減系數為（具體推導方法請參見原文）：
(3)
結合式(2)和式(3)即可進行參數標定和測量試驗。
試驗系統及螺栓試件制備
試驗系統構成如圖3所示，主要包括拉伸試驗機、超聲換能器、超聲脈沖發射卡、脈沖發射和數據采集卡、工控機。
圖3 試驗系統構成
使用由上海協強公司設計的CTM2200S型拉伸試驗機，其內置壓力傳感器，測力精度為0.3%。
超聲換能器使用OLYMPUS公司的A112S-RM型縱波探頭。超聲發射接收板卡采用美國IMAGIMANT公司的JSR PRC50型板卡，最大激勵電壓可達475 V，該板卡集成了一個前置放大器，其放大范圍為-14~60 dB。
數據采集卡為AD-Link PCIe9852型板卡，采樣位數為14位，最大采樣頻率可達200 MHz。
選用美國BSI公司的FieldGo N9 ATX型工控機，該工控機將PRC50脈沖發射卡和PCIe-9852數據采集卡通過PCI卡槽集成，從而進行脈沖發射與信號采集工作。超聲脈沖發射接收卡以及數據采集卡均通過PCI總線集成在工控機內。
拉伸機集成了壓力傳感器，工控機可以通過RS232串口與拉伸試驗機控制盒進行通信，實現拉伸試驗機動作以及壓力傳感器讀數。選取不同規格的兩顆螺栓作為試驗對象，螺栓試件實物及其詳細參數如圖4所示。
圖4 螺栓試件實物及其詳細參數
螺栓參數標定試驗
為避免溫度變化對材料衰減和聲速的影響，整個試驗裝置位于實驗室中，在參數校準試驗以及應力測量試驗期間，通過中央空調保持環境溫度恒定，將溫度波動范圍控制在±1 ℃內。
首先使用拉伸機對試件A和B施加0~200 MPa的載荷，加載步長為10 MPa。兩顆不同長度和強度等級的試件在不同夾緊長度下，分別使用衰減系數法、單波法以及雙波法得到的標定數據和擬合結果如圖5所示。
圖5 使用不同方法的螺栓應力標定數據和擬合結果
由圖5可以看出，隨著夾緊長度的變化，擬合曲線的斜率也會發生變化。因此需對模型參數進行校準，取不同夾緊長度對應的參數a和b的平均值作為校準后的參數，從而得到校準模型用于螺栓應力測量，校準結果如表1所示。
表1 螺栓試件在不同方法下的參數標定結果
則3種方法校準后的螺栓A和B參數標定模型分別為：
由圖5可知，衰減系數法對試件A和B的標定精度更高，對高強度短螺栓B的標定精度更高，擬合線性度更好。而單波法和雙波法對試件A和B的標定精度相對較低，對螺栓B的擬合線性度較差。
由此可知，本文所提出的多頻段加權衰減系數法更適合測量高強度短螺栓的應力。
螺栓應力測量試驗
利用上述試件標定結果進行應力測量試驗。對試件進行加載，加載范圍為0~200 MPa，加載步長為20 MPa，采集回波信號計算衰減系數和渡越時間。
其中，通過第一次底面回波和第二次底面回波計算多頻段加權能量衰減系數，單波法需要計算超聲縱波在螺栓受載前后的渡越時間差值，雙波法需要獲取螺栓在受載狀態下的縱橫波渡越時間，計算出其比值。
最后，將衰減系數、渡越時間差和渡越時間比分別代入標定試驗建立的模型中，分別得出3種方法下的應力測量結果。試件A和B分別在3種方法下的測量結果如表2和3所示。
表2 試件A在3種方法下的應力測量結果
表3 試件B在3種方法下的應力測量結果
由表2可知，所提多頻段加權衰減系數法對強度等級為8.8級的螺栓試件A具有較好的測量效果，平均絕對誤差和平均相對誤差分別為3.82 MPa和4.57%。
當螺栓處于低應力狀態下時（即軸向應力小于80 MPa），單波法和雙波法均會產生較大的測量誤差，且雙波法的測量誤差最大。其中，螺栓試件A的單波法測量的平均絕對誤差和平均相對誤差分別為4.86 MPa和5.78%，雙波法的測量平均絕對誤差和平均相對誤差分別為12.94 MPa和14.79%。
這是因為采集卡的最大采樣頻率為200 MHz，分辨率只有5 ns，采集信號會損失許多跨越時間信息。另外，換能器產生的超聲波必須通過耦合劑才能進入螺栓內部，且橫波探頭所用的耦合劑穩定性較差，從而引入了更不可控的耦合誤差。
因此，使用雙換能器的雙波法測量效果比使用單換能器的衰減系數法和單波法的差很多。
由表3可以發現，對于強度等級為10.9的高強度短螺栓B來說，渡越時間受螺栓軸向應力影響產生的變化量進一步降低，從而導致單波法與雙波法的測量誤差急劇增大。尤其是對于雙波法而言，螺栓B的平均絕對誤差和相對誤差分別達到了16.47 MPa和17.05%，已經難以滿足工程應用需求。
相反，與螺栓A相比，螺栓B的衰減效應更加明顯，其超聲回波的能量衰減系數對螺栓所受軸向應力更加敏感。利用衰減系數法測量螺栓B軸向應力的平均絕對誤差和平均相對誤差分別為2.90 MPa 和3.09%，可滿足工程應用的需求。
3種方法相對測量誤差的箱線圖如圖6所示，圖中IQR為四分位距，該圖直觀地展示了衰減系數法、單波法、雙波法的應力評估效果以及穩定性。
圖6 3種方法的螺栓應力測量誤差分析
總體而言，衰減系數法的測量誤差明顯小于單波法和雙波法，特別是測量短螺栓時仍能保持較高的測量精度，衰減系數法的測量效果并未因螺栓長度更短和強度更高而受到影響。
然而，單波法和雙波法對高強度短螺栓的測量精度和穩定性明顯降低。因此，相較于單波法和雙波法，衰減系數方法對螺栓軸向應力的測量精度和穩定性均有提升，更適用于高強度短螺栓連接的工業場景，具有一定的工程應用價值。
結語
研究了超聲波在受載多晶螺栓中的傳播特性，提出了一種基于多頻段加權超聲能量衰減系數的螺栓軸向應力測量方法，并通過標定和測量試驗證明了該方法的有效性。
試驗結果表明，該方法對不同強度螺栓的測量平均相對誤差明顯低于單波法和雙波法，尤其是對高強度短螺栓測量平均相對誤差僅為3.09%，能滿足大多數測量精度需求，具有一定的應用價值。
來源：《無損檢測》2024年12期
第一作者簡介：何宇琪，工程師，主要從事集輸工藝的研究工作。
來源：無損檢測NDT
