一种螺栓轴向应力双波计算方法与流程

本发明涉及螺栓轴向应力测量，具体是一种螺栓轴向应力双波计算方法。

背景技术：

1、螺栓是重要紧固件之一，因其具有装配拆卸方便、易于维护等优点而被广泛应用。螺栓在与连接设备连接时会产生轴向应力，当螺栓轴向应力过大时易产生疲劳裂纹，螺栓轴向应力过小时易带来连接强度不足，因此通过对螺栓轴向应力的测量来确定螺栓连接紧密性和安全性是非常有必要的。

2、传统的螺栓轴向应力检测方法中，通常采用扭矩扳手法、应变片法等。扭矩扳手法只能用于螺栓紧固控制，并且该方法容易受到螺栓连接面之间摩擦力的影响，导致测量精度较低。应变片法的使用受到仪器和安装条件的限制，该方法多用于实验室中应力的计算。于是为了避免上述现有技术的影响，专利cn115855331a公开了一种基于超声横纵波绝对声时比的螺栓轴向力测量方法，该方法包括以下步骤：1、测量超声波应力检测系统的延迟时间；2、选取与在役螺栓材质和热处理方式相同的螺栓进行实验室标定，得到零应力下的横纵波绝对声时比和双波应力系数；3、获取在役螺栓外形尺寸，利用超声波应力检测系统得到在役螺栓扣除系统延迟后的横波绝对声时和纵波绝对声时；4、对测得的绝对声时进行温度修正，得到修正后的横纵波绝对声时比；5、修正步骤2得到的在役螺栓的双波应力系数；6、修正步骤2得到的在役螺栓零应力下的横纵波的绝对声时比；7、根据步骤5和6中，修正后的零应力下的横纵波绝对声时比及双波应力系数得出在役螺栓的轴向力。

3、上述测量方法具有不损坏螺栓本身，操作快速简单等优点，因此被广泛地应用。然而，在双波法测量螺栓轴向应力的过程中，渡越声时一般为us级，测量精度要求较高；而温度变化和螺栓有效受力长度的变化，对渡越声的测量有较大的影响；并且上述现有技术未同时考虑二者对渡越声时测量的影响，这给计算结果带来一定误差，导致螺栓轴向应力的计算精度降低。

技术实现思路

1、为了避免和克服现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种螺栓轴向应力双波计算方法。本发明能够有效地提高螺栓轴向应力的计算精度。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种螺栓轴向应力双波计算方法，包括以下计算步骤：

4、s1、在轴向受力的螺栓上施加沿着螺栓轴向的传播的超声波；

5、s2、获取超声波的超声纵波和超声横波在螺栓上传播的渡越声时比，以及螺栓的有效拧紧长度比；

6、s3、将螺栓的有效拧紧长度比，以及超声纵波和超声横波之间的渡越声时比输入到超声应力检测模型中，计算出该螺栓受到的轴向应力大小，超声应力检测模型表示如下：

7、

8、其中， σ表示螺栓受到的轴向应力； a和 b均表示应力－温度系数； y表示螺栓受到轴向应力作用的部分的长度与螺栓原始长度的比值，即螺栓的有效拧紧长度比； s'表示超声纵波和超声横波在螺栓上传播的渡越声时比；表示超声纵波的应力－弹性系数；表示超声横波的应力－弹性系数。

9、作为本发明再进一步的方案：超声应力检测模型的推导过程如下：

10、s31、超声纵波在螺栓上传播时，其渡越声时与轴向应力的关系如下：

11、

12、其中， s et- l表示超声纵波在螺栓上传播的渡越声时； l0表示螺栓原始长度； e表示螺栓材料的弹性模量； k l表示超声纵波声弹性系数； β表示螺栓材料的线膨胀系数；δ t表示螺栓服役温度和标定温度之间的温度变化量； v l0表示零应力时超声纵波在螺栓中的传播速度； α l为超声纵波的声速温度系数；

13、s32、超声横波在螺栓上传播时，其渡越声时与轴向应力的关系如下：

14、

15、其中， s et- t表示超声横波在螺栓上传播的渡越声时； k t表示超声横波声弹性系数； v t0表示零应力时超声横波在螺栓中的传播速度； α t为超声横波的声速温度系数；

16、s33、计算超声纵波和超声横波在螺栓中传播的渡越声时比，计算公式如下：

17、

18、s34、设定以下替换关系：

19、

20、s35、将步骤s34中的替换关系带入步骤s3中的计算公式中，即可获得轴向应力的计算公式。

21、作为本发明再进一步的方案：超声纵波声弹性系数 k l的计算公式如下：

22、

23、其中， λ和 μ均为螺栓材料的二阶声弹性常数； l和 m为螺栓材料的三阶声弹性常数。

24、作为本发明再进一步的方案：超声横波声弹性系数 k t的计算公式如下：

25、

26、其中， n为螺栓材料的三阶声弹性常数。

27、作为本发明再进一步的方案：超声波在螺栓中传输时的渡越声时的计算公式如下：

28、

29、其中， s et表示超声波在螺栓上传播的渡越声时； l et表示螺栓在轴向应力作用下处于温度 t时的有效拧紧长度；螺母之间的螺栓部分长度为 l e； v t表示在温度 t时超声波在螺栓中的传输速度； v et表示在温度 t时超声波在受轴向力作用下的螺栓中的传输速度； α为超声波的声速温度系数。

30、作为本发明再进一步的方案： l et的计算公式如下：

31、

32、其中， l e表示螺栓受轴向应力的情况下的有效拧紧长度。

33、作为本发明再进一步的方案： v et的计算公式如下：

34、

35、其中， v0表示超声波在不受轴向应力作用下的螺栓中的传播速度。

36、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

37、1、本发明研究螺栓温度以及有效拧紧长度对渡越声时测量的影响并加以修正，建立了螺栓轴向应力超声双波法计算模型，有效提高了测量精度，为工程实际中螺栓轴向应力的快速准确测量提供了理论基础。