基于超声尾波时差的螺栓应力声弹性测量方法与流程
本发明涉及螺栓内部应力无损测量，尤其涉及一种基于超声尾波时差的螺栓应力声弹性测量方法。
背景技术：
1、螺栓作为工业中典型的连接件，广泛应用于航天航空、船舶轮机、桥梁建筑、新能源等领域的关键结构部件连接处，起强化、密封等作用，螺栓的服役质量对于安全生产至关重要。螺栓内部应力作为直接影响螺栓性能、服役寿命以及使用状态的重要因素，越发受到重视。因此螺栓应力测量是保证螺栓发挥连接作用、评估螺栓性能、监测螺栓完整性的关键。
2、目前，超声检测是定量无损测量螺栓应力的主要方法之一。基于超声检测的螺栓应力测量技术中，常用的有脉冲回波反射法、渡越时间法、相位法等检测技术，但针对原长度未知的栓体无法有效应用。
3、为了解决上述问题，本发明提出了一种基于超声尾波时差的螺栓应力声弹性测量方法。
技术实现思路
1、本发明的目的就在于为了解决上述问题设计了一种基于超声尾波时差的螺栓应力声弹性测量方法。
2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
3、基于超声尾波时差的螺栓应力声弹性测量方法，包括以下步骤：
4、s1：建立超声头波与超声尾波之间的渡越时间差∆t与螺栓轴向应力之间的关联关系：螺栓结构为轴对称的圆柱体结构，在螺栓端部利用信号发生器产生激励超声纵波时，超声纵波在第一角度范围内沿直线传播而无反射，该第一角度范围的纵波传输至螺栓底部，形成了超声头波；当超声脉冲的发射角超过第一角度范围时，超声纵波斜射到螺栓圆柱体的壁面上，发生全发射，再射回圆柱体的内部，形成了一个新的纵波源，对于超声球面波，每个入射角都形成新的纵波源，这些纵波源沿着螺栓中轴线向前传播并排成一列，这一列纵波源呈现出一个最大值包络，为主要声源，定义其为s1，此s1声源传播至螺栓底面，即形成超声尾波，超声头波与超声尾波之间的渡越时间差∆t通过理论推导可得：
5、 （1）
6、其中，为纵波声速与横波声速的比值，c为超声波传播速度，α1为超声波反射角；
7、基于应力声弹性测量原理，推导获得超声头波与超声尾波之间的渡越时间差∆t与螺栓内部应力值σ之间的关系为：
8、 （2）
9、其中σ为螺栓应力值，e、k1分别螺栓材料弹性模量、垂直于超声传播方向的螺栓应力弹性系数；
10、由于c、e、k1、d、α1均为温度ｔ的函数，因此公式（2）可写作：
11、 （3）
12、 （4）
13、s2：在不同温度情况，分别测量不同拉伸应力时的∆t，获得各个温度工况∆t-σ测量曲线，分别拟合获得式（4）中各个待定系数b0i、b1i、b2i、b3i、b4i...（i=1,2），由此可确定方程（3）；
14、s3：对于待测螺栓进行超声检测，同时测量温度t，对接收的超声回波信号进行处理分析，从试验信号中识别并获取超声头波与超声尾波之间的超声渡越时间∆t，利用方程（3）计算温度为t时的螺栓轴向应力σ。
15、具体地，步骤s1中利用超声头波与超声尾波之间的渡越时间差对螺栓应力进行测量还包括考虑疲劳、塑性变形、蠕变因素对材料声速的影响进行补偿。
16、具体地，步骤s3中对接收的超声回波信号进行处理分析过程包括超声波信号的滤波和自动截取波形。
17、具体地，步骤s3中采用互相关法从试验信号中识别并获取超声头波与超声尾波之间的渡越时间∆t。
18、本发明的有益效果在于：
19、1）本发明提出的基于超声尾波时差的螺栓应力声弹性测量方法，利用超声头波与尾波之间的渡越时间差对螺栓应力进行测量，可消除螺栓几何长度对测量结果的影响，具有设备简单、使用方便、易实现等优点，能广泛用于各领域关键结构部件连接螺栓的轴向应力测量。
20、2）本发明提出的螺栓轴向应力测量斜极化压电超声换能器使用方法采用滤波、自动截取超声波形、利用互相关法准确识别超声波峰值信号等技术方案，采用标定曲线法补偿了环境温度等因素对测量结果的影响，适用性广、效率高，同时保证了测量结果的准确性。
技术特征：
1.基于超声尾波时差的螺栓应力声弹性测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于超声尾波时差的螺栓应力声弹性测量方法，其特征在于，步骤s1中利用超声头波与超声尾波之间的渡越时间差对螺栓应力进行测量还包括考虑疲劳、塑性变形、蠕变因素对材料声速的影响进行补偿。
3.根据权利要求2所述的基于超声尾波时差的螺栓应力声弹性测量方法，其特征在于，步骤s3中对接收的超声回波信号进行处理分析过程包括超声波信号的滤波和自动截取波形。
4.根据权利要求3所述的基于超声尾波时差的螺栓应力声弹性测量方法，其特征在于，步骤s3中采用互相关法从试验信号中识别并获取超声头波与超声尾波之间的渡越时间∆t。
技术总结
本发明公开了一种基于超声尾波时差的螺栓应力声弹性测量方法，该方法利用超声尾波与头波之间的超声渡越时间差和对螺栓内部应力进行无损测量；通过理论建模和推导，建立了尾波与头波之间的超声渡越时间差和螺栓内部应力的关联关系，明确了尾波与头波之间的超声渡越时间差和螺栓长度无关。本发明提出的基于尾波声时差的螺栓应力超声测量方法能够消除螺栓长度对测量结果的影响，可广泛应用于核电厂、风力发电机、化工压力容器等关键结构部件链接螺栓应力测量等工业环境与场合，具有使用方便、数据量小、操作简易等优点。
技术研发人员：蔡文路,黄海莹,韩玉强,李翀,张强,毛勇建,文勇,李明海,师伟鹏,龚礼,卫剑峰
受保护的技术使用者：中国工程物理研究院总体工程研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23