Page 48 - 无损检测2024年第十二期

何宇琪，等：

基于多频段加权能量衰减系数的螺栓轴向应力超声测量方法

当的范围之内，否则会对整个设备的安全性和可靠 出了一种基于谱能比的轴向应力测量方法，引入回
性产生巨大的影响，严重时甚至会产生灾难性的后 波能量比作为应力测量的标准。FU等 [19] 利用不同
果 。因此，科学、准确地检测螺栓轴向应力对螺栓 频段的能量衰减系数来选择应力相关性最高的最佳
[2]
连接结构至关重要。当前，螺栓轴向应力检测的常 频率范围，以特定频带内的能量衰减系数为输入矢
用方法主要包括扭矩扳手法 、电阻应变片技术 、 量，建立轴向应力预测模型。但衰减系数对超声信
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[3]
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X射线衍射技术 、压电检测技术 、光测力学法 号的频率敏感，在不同的频率下测得的衰减系数并
和超声无损检测技术 等。与其他几种方法相比， 不相同，因此，以上方法均不能全面反映整个有效频
[8]
超声检测法具有操作简单、可靠性强、测量精度较高 段内不同频率成分对衰减系数的贡献程度，从而导
[9]
等特点，广泛应用于螺栓轴向应力的测量中 。 致衰减系数计算不准确，影响测量精度。
超声应力测量方法主要基于声弹性原理，即超 文章使用粒子群优化算法确定各频段衰减系数
声波在材料中的声速与材料所受应力有关 [10] ，当螺 最优归一化权重系数，最后建立多频段加权能量衰
栓受载时，可通过测量沿螺栓轴向传播的超声脉冲 减系数模型。试验结果表明，相对于单波法和双波
回波的渡越时间变化来间接得到应力大小。近年 法，该方法的测量精度更高，尤其是对高强度短螺栓
来，国内外研究人员对该技术进行了大量研究，根 的效果更为明显，具有较好的实用价值。
据测量原理其主要分为单波法和双波法 。冉启芳
[9]
1 多频段加权能量衰减系数模型
等 [11] 提出一种超声波相对声时法，通过获取相邻两
次超声回波的时间间隔，进而测量螺栓的轴向应力。 试验所用螺栓的结构示意如图1所示。假设该
YASUI等 [12] 提出使用纵横波渡越时间的比值测量已 金属螺栓属于无织构各向同性多晶体材料，故其微
紧固螺栓的应力。以上两种方法在工程实践中的应 观结构由取向独立且由弹性性质随机分布的晶粒组
用比较广泛，但是，使用单波法测量螺栓轴向应力时， 成。当弹性波从螺栓端面入射时，该弹性波会在晶
必须测量无应力条件下超声波在螺栓中传播的渡越 界处发生散射，声能向各方向扩散，从而能量发生损
时间，难以测量已紧固螺栓的轴向应力。另外，由于 耗。当螺栓受载时，其有效受力长度不仅包括夹紧
不需要预先确定螺栓的长度，因此双波法更易于测量 长度L ，故将螺栓有效受力长度重新定义为 [20]
c
已紧固螺栓的轴向应力。但横波的声弹性常数相较 =L + L 1 + D 1 （1）
r
于纵波的会更低，导致横波渡越时间的变化对应力的 e c 2 t 3 D
敏感性很差，因此双波法比单波法的测量精度更低。
同时双波法必须激发两个不同模式的超声波或者使
用两个超声换能器，安装和测量的程序更加复杂，而
可能产生更多的随机误差。此外，对于强度较高且长
L
度较短的螺栓而言，应力使超声波在螺栓中的渡越时 c
间变化更加微小，进一步限制了单波法和双波法的推 L e
广应用。 L
0
TURNER等 [13] 提出了基于超声散射衰减原
图 1 试验所用螺栓的结构示意
理，从多晶体微结构中提取应力信息的理论基础。
式中：D 和D 分别为螺栓杆螺纹部分等效直径和无
KUBE等 [14-15] 证实了协方差张量的应力相关性，基 t r
螺纹螺栓杆直径。
于以上理论及Weaver的散射衰减系数模型，提出了
则超声波衰减系数可表示为
考虑应力影响的散射衰减系数。基于散射衰减的螺
L L -L
栓应力测量方法的关键是得到可靠的衰减系数。常 α = e α + 0 e α （2）
见的测量中是通过信号回波峰值比和频谱峰值比来 L 0 σ L 0 σ =0
计算衰减系数，但超声回波信号的中心频率可能发 式中：夹紧比例系数定义为β=L /L ，α 和α σ =0 分
e
0
σ
生变化，因此难以选择合理的有效带宽范围 [16] 。HU 别为应力为σ 和零应力轴段的衰减系数。
等 [17] 提出利用加载螺栓的第一底回波和第二底回波 当入射波为纵波时，结合散射原理可得瑞利散
峰值比测量高强度短螺栓的轴向应力。HE等 [18] 提 射区的纵波衰减系数为 [19]

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2024 年 第 46 卷 第 12 期
无损检测