Page 53 - 无损检测2021年第十二期

刘 恒, 等:

电磁超声螺栓轴向应力测量的有限元分析与试验

较平缓。有限元分析结果中螺栓局部的应力峰值较 弱, 虽然声波在传播的过程中会出现能量消耗、 触壁
高, 这是由于模拟中加入的超弹性模块无法模拟材 反弹, 但是仍然是有一束较强的超声波从螺栓底部
料塑性变形后的状态, 而超声波的传播主要在螺杆 反射至螺帽位置, 从而探头接收到较强的超声回波。
中进行, 应力集中只发生在局部区域, 所以其对超声 螺栓的电磁超声回波信号波形如图7所示, 图
波传播的影响较小。 中 W1回波为螺帽底部和边界反射的超声信号, W2
在实际应用中螺栓大多在轴向应力状态下工 是纵波的一次回波, W4是纵波的二次回波, W3 是
作, 其受力状态是复杂的, 因此电磁超声激励的超声 横波的一次回波。从图7中可以看出, 横波一次回
波信号和螺栓轴向应力之间的关系是值得深入研究 波的时间大约为纵波一次回波时间的1.5倍, 与横
的问题。 波和纵波在钢材料中的速度比值( 1.8 ) 有所偏差, 这
3.2 超声波的传播过程 是由于有限元模拟和实际材料参数有一定误差。图
电磁超声激励的超声波在螺栓内部的传播过程 7印证了电磁超声是同时激发横波和纵波的, 但有
限元模型的超声横波信号十分微弱, 传播过程中的
如图6所示, 图6 ( a ) 为100ns时刻的声场图, 此时
超声波还未在螺栓中传播; 在集肤层中, 感应涡流在 能量损耗导致接收到的横波信号强度很低。

偏置磁场下产生超声波信号。图 6 ( b ) 为 7575ns
时刻的声场图, 可以看到螺栓头部由于超声波碰壁
产生反弹信号, 螺帽位置横波和纵波同时存在, 此时
在螺杆部位可以看到有两束超声波信号, 这是由于
在电磁超声激发过程中会同时激发横波和纵波信
号, 其中传播较快的为纵波信号, 传播较慢的靠近螺
帽底部的是横波信号, 可以看出, 纵波的传播距离大

约为横波的1.5倍。图6 ( c ) 为14500ns时刻的声 图7 螺栓的电磁超声回波信号波形
场图, 此时纵波达到螺栓底部位置, 而横波传播至螺
3.3 夹紧长度对声弹效应的影响
栓中部位置, 螺杆中的超声波信号受表面反射影响
由式( 7 ),( 8 ) 可知

较复杂。图6 ( d ) 为30725ns时刻的声场图, 可见
kL 1= v 0 E -A ) ( 10 )
- 1
/(
在螺帽底部位置有一束较强的超声波回波, 而螺杆 为材料固有参数, 所以对于同型
因为E , A , v 0
中的超声波信号十分混杂, 横波也几乎无法辨认, 这
号螺栓而言, kL 1 是一个定值, 只和材料自身参数有
可能是两个方面导致的, 一方面模拟的电磁超声激
关系。笔者通过改变螺栓夹持长度进行了模拟标定
发的是超声纵波, 横波虽然存在, 但是其信号强度比
试验, 不同夹持长度下的螺栓标定数据如图8所示;
较弱, 所以在接触螺栓底部反射回探头的横波信号
不同夹持长度下的螺栓应力系数如表1所示。
几乎淹没在纵波信号中; 另外一方面纵波反射回探
头的接触到未传播至底部的横波, 两种声波的部分
能量相互干扰, 在之后的传播中横波的能量十分微

图8 不同夹持长度下的螺栓标定数据
表1 不同夹持长度下的螺栓应力系数
-1
夹持长度 / mm 应力系数 /( MPa · ns )
60 3.751
80 2.812
图6 超声波在螺栓内部的传播过程示意 100 2.267

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2021年 第43卷 第12期
无损检测