Page 57 - 无损检测2022年第十一期

孙 越, 等:

基于纵波的风机高强度螺栓预紧力检测

律, 同时研究了风电变桨轴承螺栓预紧力的检测方 的时差即可得出螺栓所受的预紧力大小, 但值得注
法, 旨在为预防风电机组螺栓失效及预紧力监测提 意的是, 温度变化对纵波的传播速度影响较大 [ 6 ] , 温
供依据。 度升高时纵波声速降低, 超声波传播时间增大, 从而
影响预紧力的检测结果。试验中的标定温度和预紧
1 超声波螺栓预紧力检测原理
力检测温度相同, 因此可忽略温度修正过程。
超声波螺栓预紧力检测主要涉及两个原理, 即
声弹性原理与胡克定律。超声波波速随应力状态改 2 超声波预紧力数值模拟分析
变而变化的特性称之为声弹性, 声弹性现象在非线 2.1 超声波的传播过程分析
性应力 - 应变中也同样存在 [ 3 ] 。螺栓在预紧力作用 采用 COMSOL 多物理场仿真软件对螺栓预紧
下会发生弹性变形, 弹性变形遵循胡克定律 [ 4 ] , 螺栓 力的检测过程进行数值模拟, 分析超声波在检测中
的应变与应力呈线性关系。 的传播过程, 超声波的激励信号采用正弦高斯脉冲
实际检测过程中, 当超声探测仪激励的超声波 信号进行调制。高斯脉冲信号声源能够抑制副瓣声
由螺栓一端通过螺杆传递到螺栓另一端面时, 超声 束同时改善近场内的声压分布。
波在钢 / 空气的异质界面处发生全反射, 将超声波再 为简化有限元计算工作量, 采用二维轴对称模
回传给接收装置。文献[ 5 ] 表明根据声弹性原理, 应 型进行模拟分析, 激励声源及螺栓模拟模型如图 1
力与超声波传播速度的关系可表示为 所示。

( ( 1 )
C = 1+Kσ ) C 0
式中: K 为与材料有关的声弹性系数; σ 为螺栓所承
为无应力时超声波在螺栓中的传播速
受的应力; C 0
度; C 为承受应力载荷下螺栓中的超声波传播速度。
受应力载荷的影响, 超声波在螺栓中的往复传
播时间存在差异, 文献[ 4 ] 表明可结合胡克定律对式
( 1 ) 进行简化, 简化后可得到式( 2 )。
Δt= t σ - t 0 =
(
(

L 0 E - 1 -K ) σ+L 1 1+K · σ )
()

t 0 - t 0 2
(
L 1 1+K · σ )
为螺栓
式中: L 0 为检测过程中螺栓的夹持长度; L 1
为应力
总长度; E 为材料的固有参数弹性模量; t σ
为不受力时的超声波
状态下的超声波传播时间; t 0
传播时间( 可通过仪器检测得到)。
式( 2 ) 中 K · σ≪1 , 因此其可简化为
L 0 - 1
( E -K ) σ ( 3 ) 图 1 激励声源及螺栓模拟模型
Δt= t σ - t 0 = t 0
L 1
螺栓中超声纵波的传播过程如图 2 所示, 螺栓
·
令 1 t 0 L 0 ( E - 1 -K ), 可将式( 3 ) 简化为 端部产生激励信号后波阵面离开螺栓端部, 此时激
=
A L 1
励信号为纵波, 无反射干扰现象, 纵波沿螺栓轴向传
σ=A·Δt ( 4 )
播, 传播一定距离后受结构影响, 声波在几何界面处
式中: A 为与螺栓规格、 材料有关的超声应力系数,
发生波型转换, 表现为在纵波后形成边缘横波, 同时
可以通过标定试验获得。
在螺栓侧壁形成边缘纵波, 这种现象伴随超声波的
综合上式, 可得到式( 5 )。
整个传播过程; 波阵面到达螺栓 / 空气异质界面后发
F = σ· S =A·Δ t · S ( 5 )
式中: F 为螺栓所承受的预紧力大小; S 为检测过程 生全反射, 超声波反向传播直至信号被接收器接收。
2.2 应力对超声波传播声程的影响
中螺栓的有效面积。
实际预紧力检测过程中, 在试验得出标定参数 对上述模型进行优化, 添加应力场分析, 在螺栓
A 之后只需要检测出施加预紧力前后超声波传播 顶部施加预紧力, 螺母处施加固定约束, 模拟试验分
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2022 年 第 44 卷 第 11 期
无损检测