Page 81 - 无损检测2022年第三期

郭沫呈, 等:

温度影响下的螺栓轴向应力超声检测

2
/ ) 越大。 量螺栓应力检测的前期准备工作时间。
平方( t Lσt Sσ
考虑到螺栓服役过程中通常伴随着一定范围内 目前公开的横纵波检测模型较为复杂, 大部分
的环境温度变化, 而温度会对超声波的传播速度造 都对参量进行了近似处理且没有直接建立横纵波渡
成一定的影响, 故需对温度造成的声时误差进行修 越时间比与螺栓所受轴向应力之间的关系, 这使得
正; 另一方面由于温度的变动不大, 因此暂不考虑温 这些检测模型的工程应用较为繁琐 [ 16-17 ] 。文 章 给
度对螺栓材料性能的影响。由非线性声学 理论可 出的检测模型直接建立上述两者间的关系, 同时能
知, 超声波在介质中的声速与温度变化量 Δ T 近似 根据检测温度相对于标定温度的变化实现温度对声
成线 性 关 系 [ 15 ] , 由 此 可 得 某 温 度 T 下 纵 波 声 速 时影响的修正, 使其工程应用更为便捷。
v( L , T ) , 横波声速v( S , T ) 的表达式为
2 模型应力检测与温度修正的精度验证
v( L , T )= v L 1- α L Δ T ) ( 10 )
(
·
(
v( S , T )= v S 1- α S ΔT ) ( 11 ) 为验证文章提出模型的可靠性, 以 8.8 级 M20×
结合热膨胀系数 , 螺栓在某应力下温度变化 130螺栓( 记 为 螺 栓 Ⅰ ) 为 研 究 对 象, 根 据 式( 9 ) 在
β

Δ T 后纵波、 横波的渡越时间 t ( Lσ , T ) , t ( Sσ , T ) 可表示为 20 ℃的恒温室以 30MPa为梯度在 0~180MPa进

, , 的非线性拟合, 并结合式( 15 ) 和( 16 ) 进
t ( Lσ , T )= 1+ β ΔT ) · t Lσ 1- α L Δ T ) ( 12 ) 行a 1 a 2 a 3
(
/(
·
·
(
t ( Sσ , T )= 1+ β ΔT ) · t Sσ 1- α S ΔT ) ( 13 ) 行温 度 影 响 系 数 的 线 性 拟 合。 拟 合 得 到 a 1 =
/(
·
·
, 分别为纵波、 横波在螺栓中传播的温度
式中: α L α S -278.478MPa ; a 2 =0.0465 ; a 3 =1130.055MPa ;

-4
影响系数。 α L=1.0267×10 ℃ -1 ; α S =2.0001×10 ℃ -1 。
-4
)/
温度变化时检测采集的声时比为t ( , T t ( Sσ , T ) , 螺栓各项参数的标定拟合曲线如图 2 所示。
Lσ
/ 可表示为
实际所需获取的声时比t Lσt Sσ
·
t Lσ 1- α L ΔT t ( L σ , T )
= · ( 14 )
·
t Sσ 1- α S ΔT t ( Sσ , T )
结合式( 10 ),( 11 ) 可得
t L - t ( L , T )
α L = ( 15 )
t ( L , T )·Δ T
t S - t ( S , T )
α S = ( 16 )
t ( S , T )·ΔT
式中: t ( L , T ) , t ( S , T ) 分别为某温度下纵波、 横波的渡越
时间。
由式( 15 ),( 16 ) 可知, 通过拟合温度变化后超声
波渡越时间的变化率与温度改变量 Δ T 之间的线性
、 的标定。令 ο= ( 1-α LΔ T )/( 1
关系即可实现 α L α S
- α S ΔT ), 称 为 温 度 声 时 修 正 因 子, ο 只 与 ΔT 有
的表
关, 将其代入式( 14 ) 后得到某温度下应力σ T
达式为
1
· ( 17 )
σ T = a 1 +a 3
2
ο · x T -a 2 图 2 螺栓各项参数的标定拟合曲线
为某温度下纵波、 横波在检测螺栓中渡越
由图 2 ( a ) 可 知, 利 用 文 章 所 提 的 检 测 模 型 进
式中: x T
时间之比的平方。
行拟合可 得 到 较 高 的 拟 合 优 度, 但 还 需 进 行 应 力
根据式( 17 ) 可 知, 通 过 试 验 标 定 a 1 a 2 a 3 ο 检测精度 试 验 以 验 证 该 模 型 的 准 确 性, 同 时 为 体
, , ,
后, 只需采集螺栓的纵波、 横波渡越时间之比即可实
现该检测模型中轴向应力系数只与材料性能有关
, , 只与螺栓的
现轴向应力的检测, 同时由于a 1 a 2 a 3 的优势, 以 8.8 级 M20×130 螺栓 Ⅰ 及其同批次同
材料性能有关, ο 只与螺栓的材料性能及 Δ T 有关,
型号的 M20×130 螺栓 Ⅱ 与螺栓 Ⅲ 、 同材料的 8.8
故上述 4 个参量适用于同种材料不同长度螺栓间的 级 M20×105 螺 栓 Ⅰ 、 M20×80 螺 栓 Ⅰ 为 研 究 对
应力检测与温度修正, 能有效缩短工程应用中大批 象, 采用前 述 M20×130 螺 栓 Ⅰ 低 应 力 下 拟 合 的
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2022 年 第 44 卷 第 3 期
无损检测