（机械电子工程专业论文）基于声弹性原理的超声波螺栓紧固力测量技术研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 为确保钢结构工程的可靠性和安全性，必须严格控制连接螺栓的紧固力， 必要时还要在线监测螺栓工作应力。论文依据声弹性原理，提出了利用高强度螺 栓轴向应力与拧紧前后超声波渡越时间差的关系，结合螺栓材料系数、夹紧厚度 等参数，间接检测螺栓轴向应力的方法。消除了螺栓头与拧螺母段尺寸的不确定 性和应力的非均匀分布影响以及温度变化造成的测量误差，大幅度提高了应力的 测量精度。在此基础上，提出了材料系数预测、校正的方法。精度分析结果表明， 螺栓应力测量精度优于5 ，可满足绝大多数工业现场的要求。论文对超声螺栓 应力测量原理，超声螺栓紧固力测试仪设计进行了系统研究。重点研究了基于声 弹性现象的超声螺栓应力测量原理，并针对性的研究了超声发射接收原理、高精 度声时测量原理、声耦合原理等关键技术。目前所研制的超声螺栓紧固力测试仪 样机可用于超声渡越时间的精确测量和应力计算。 全文分为6 章。 第一章综述了目前高强螺栓紧固力测量方法，表述了声弹性现象并提出基 于声弹性现象的超声波螺栓应力测量技术。综述了相关超声基础理论，以及超声 技术在螺栓应力检测方面的应用。 第二章对声弹法螺栓轴向应力测量技术进行全面的理论推导，主要包括声 弹性理论的数学表述、材料系数定义、机械伸长量计算方法、螺栓有效受力长度 及螺栓轴向应力的计算方法。理论公式中修正了温度影响，此外还提出了螺栓材 料系数的预测方法。基于理论推导结论，开发了超声螺拴紧固力测试仪系统。介 绍了测试仪的硬件结构、人机界面以及现场操作方法。通过该测试仪进行了超声 螺栓应力试验曲线的测定和拟合。详细论述了通过曲线拟合对材料系数进行预测 的方法。 第三章至第五章分别对各项关键技术作针对性研究，包括对超声耦合原理、 超声发射接收原理、高精度声时测量原理、温度补偿技术的研究。 第六章为总结与展望。给出了论文的研究成果，指出了进步研究的方向。 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t 0g u a r a n t e et h er e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t yo ft h es t e e lc o n s t r u c t i o n t h ec l a m pl o a d o ft h ej o i n tb o l ts h o u l db eu n d e rs t r i c tc o n t r o l ，s o m e t i m e se v e nt h et e n s i o no ft h eb o l t s h o u l db em e a s u r e do n l i n e r e f e r r i n gt ot h es o n i c e l a s t i c i t yp r i n c i p l e s ，ai n d i r e c t m e t h o di sp r o p o s e df o rb o l tt e n s i o nm e a s u r e m e n t ，b a s e do nt h er e l a t i o nb e t w e e nt h e a x i a lt e n s i o no fh i g hs t r e n g t hb o l ta n dt h et i m ed i f f e r e n c ef o rt h ee c h ot or e t u r nf r o m t h eo p p o s i t ee n db e f o r ea n da f t e rt h eb o l ti st i g h t e n e d t h i sm e t h o da l s ot a k e st h e m a t e r i a lf a c t o r sa n dt h ec l a m pl e n g t hi n t oa c c o u n t t h em e t h o da c h i e v e sh i g h a c c u r a c ym e a s u r e m e n tb yr e m o v i n gt h em e a s u r i n ge r r o rc a u s e db yt h ed i s c r e t e n e s so f t h et h i c k n e s so ft h ec o u p l a n ta n dc h a n g ei nt e m p e r a t u r e b a s e do nt h em e t h o d ，an e w w a yo nf o r e c a s t i n ga n dr e v i s i n gt h em a t e r i a lf a c t o r si sb r o u g h tf o r w a r d n l ea c c u r a c y i nb o l tt e n s i o nm e a s u r e m e n ti sp r o v e dt ob eb e t t e rt h a nf i v ep e r c e n t ，a n dt h u si s a c c e p t a b l ei nm o s to f t h ei n d u s t r yu s e t 1 1 et h e s i sl u c u b r a t e dt h ep r i n c i p l eo fu l t r a s o n i cb o l tt e n s i o nm e a s u r e m e n ta n d d e s i g n o fu l t r a s o n i cb o l tt e n s i o nm e a s u r e m e n t i n s t r u m e n t e m p h a s i s o nt h e s o n i c e l a s t i c i t yp r i n c i p l e s ，s e v e r a lk e yt e c h n i q u e sw e r ep e r t i n e n t l yr e s e a r c h e ds u c ha s t h eu l t r a s o n i cs e n da n di n c e p tt e c h n i q u ea n da c c u r a t es o n i ct i m em e a s u r e m e n t t e c h n i q u ea n dc o u p l i n ga n ds oo n t h et h e s i si n c l u d e st e nc h a p t e r s c h a p t e r1 i sas u r v e y i ts u m m a r i z e sp r e s e n tm e a s u r e m e n tf o rt h et e n s i o no ft h e h i g hs t r e n g t hb o l t ，i l l u m i n a t e st h ep r i n c i p l eo fs o n o - e l a s t i c i t ya n db r i n g sf o r w a r dt h e u l t r a s o n i cb o l ts t r e s sm e a s u r e m e n tb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fs o n o e l a s t i c i t y i ta l s o s u m m a r i z e st h ec o r r e l a t i v eu l t r a s o n i cb a s i ct h e o r ya n dt h ea p p l i c a t i o no ft h e u l t r a s o n i ct e c h n i q u ei nt h ef i e l do f t h es t r e s sm e a s u r e m e n t c h a p t e r2i st h eg e n e r a ld e d u c t i o no ft h ea x i a lt e n s i o nm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e b a s e do ns o n o - e l a s t i c i t y , w h i c hm a i n l yi n c l u d e sm a t h e m a t i c se x p r e s s i o no ft h e p r i n c i p l e so fs o n o e l a s t i c i t y , m a t e r i a lf a c t o r sd e f i n i t i o n ，t h ec a l c u l a t em e t h o do ft h e m e c h a n i c a le l o n g a t i o nq u a n t i t y , t h ee f f e c t i v ec l a m pl e n g t ho ft h eb o l ta n dt h e 2 浙江大学硕士学位论文 c a l c u l a t i o no ft h eb o i ta x i a lt e n s i o n t h e r ei s ac o r r e c t i o no ft h ei n f e c t i o no f t e m p e r a t u r ei nt h et h e o r yf o r m u l a b e s i d e s ，t h ef o r e c a s tm e t h o do ft h eb o l tm a t e r i a l c o e f f i c i e n ti sa l s op u tf o r w a r di n t h i sa r t i c l e b a s e do r lt h et h e o r y , i n t r o d u c e st h e d e s i g no ft h es y s t e m o ft h eu l t r a s o n i c h i 【g hs t r e n g t hb o l t t e n s i o nm e a s u r e m e n t i n s t r u m e n t ，i n c l u d i n gt h eh a r d w a r es y s t e m ，t h ei n t e r f a c ea n dt h es t e p so fo p e r a t i o n t h ec h a p t e ra l s ov a l i d a t e st h et h e o r yo f t h eu l t r a s o n i cm e a s u r e m e n tf o rt h et e n s i o nb y t h ea c t u a le x p e r i m e n t a lc u r v e sa n di l l u s t r a t e st h ef o r e c a s tm e t h o do ft h em a t e r i a l f a c t o ri nd e t a i lt h r o u g ht h eu l t r a s o n i ci n s t r u m e n t c h a p t e r3t oc h a p t e r5p u tf o r w a r dt h ep e r t i n e n ts t u d yt oe a c hk e yt e c h n i q u e s e p a r a t e l y , w h i c hi n c l u d e st h eu l t r a s o n i cc o u p l i n gt h e o r y , t h eu l t r a s o n i ce m i s s i o na n d i n c e p tt h e o r y , t h et h e o r yo ft h eh i 啦p r e c i s i o ns o n i ct i m em e a s u r e m e n ta n dt h es t u d y o f t h et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nt h e o r y c h a p t e r6l o o k sb a c kt ot h ew h o l ea r t i c l ea n dp r e s e n t so u tt h ef r u i t so ft h es t u d y t h ef u r t h e re x p l o r ed i r e c t i o nw o u l db ec a r r i e do u ti nt h ee n do f t h i sa r t i c l e 3 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 螺栓联接广泛应用于机械、化工、交通、电力、航空等部门的重要设备和 结构上。对于这些设备或结构中所使用的螺栓，其预紧力是否合适将直接关系到 整个设备或结构工作的可靠性和安全性。在拧紧时若预紧力过大，易导致螺栓应 力腐蚀裂纹的产生和疲劳破坏；若预紧力不够则会引起振动松弛、滑移，影响结 构整体性或造成密封件泄漏，这两种情况都将导致设备的损坏和严重事故的发 生。尤其是在建筑钢结构产业上大量使用的高强螺栓紧固联接，其旌工质量直接 影响建筑工程质量及使用安全。因此，必须采取有效的手段控制高强螺栓的预紧 力并监测螺栓工作应力状态，以确保钢结构建筑的施工和使用安全。 目前工业上广泛使用扭矩扳手，由扭矩推算出螺栓的轴向紧固力，但这种 方法间接得到的轴向力很不准确。在若干使用较大尺寸螺栓的场合( 如核电站及 常规热电站) 有时是通过螺栓中心的小孔测量紧固过程中螺栓的伸长量来判断对 应的轴向紧固力【”。这种方法的准确度较高，但使用的局限性较大。对于建筑钢 结构上日益通用的高强螺栓，由于其用量大，加工精度不高，以及施工人员素质、 施工器具以及施工管理等方面的原因，无法采用该方式控制其紧固力，而目前广 泛使用的扭矩扳手法因螺栓摩擦面的离散性，其紧固力控制精度较低，对建筑钢 结构工程造成一定的施工隐患。因此迫切需要发展一种无损、快速有效的建筑钢 结构上高强螺栓紧固力的测量手段。 论文主要研究对象是建筑钢结构上采用的高强螺栓紧固力的超声波测量技 术，本章着重介绍用于建筑钢结构上的高强螺栓的紧固力测量技术现状和采用超 声波方法测量高强螺栓紧固力的技术概况。 1 1 建筑钢结构上高强螺栓的应用 建筑钢结构以其造价低于混凝土结构、有效使用面积高于混凝土结构、污 染少于混凝土结构、抗震性能好等诸多因素而得到迅速发展。2 l 世纪将是建筑钢 结构快速发展时期，我们目前的钢产量已超过了1 亿吨，居世界首位，为建筑钢 结构的发展提供了必要的物质基础。一大批有代表性的钢结构工程的建设，又为 浙江大学硕士学位论文 后继者积累了丰富的施工实践经验。同时国家也对建筑钢结构实旋了政策支持， 建设部1 9 9 7 年发布的中国建筑技术政策( 1 9 9 6 2 0 1 0 年) 提出了发展钢结构 的具体要求。这些都为建筑钢结构的发展提供了良好的机遇。1 2 1 高强度螺栓( h i g hs t r e n g t hb o l t ) 联接是继铆接、焊接之后发展起来的 一种现代钢结构的典型联接方式，由于其具有施工简便、受力合理、耐疲劳、可 拆换且安全可靠的优点，广泛地被运用于大跨度结构、厂房结构、桥梁、高层建 筑框架等相关结构的联接，逐步取代了铆接和部分焊接，已成为钢结构工程现场 安装的主要联接手段【3 】。高强度螺栓是用优质碳素钢或低合金钢制成的一种特殊 螺栓，普通螺栓和高强度螺栓的主要区别在于其机械性能不同，也即性能等级不 同。在设计中经常注明的“高强度螺栓8 8 级”，8 8 即为性能等级，小数点前一个 数字8 表示该螺栓材料热处理后的抗拉强度 8 0 0 n m m 2 、小数点后一个数字8 n 表示该材料的屈强比( 屈服点与抗拉强度比值) 为0 8 ；1 0 9 级则表示该材料的抗拉 强度 1 0 0 0 n m 舻，屈强比为0 9 。屈强比大则材料的韧性差，不宜重复使用，尤 其是1 0 9 级的只能用一次。目前我国使用的高强螺栓只有8 8 和1 0 9 级，常标注为 8 8 s ，1 0 9 s 。普通螺栓如果用q 2 3 5 ( 通常用q 2 3 5 - - b 以保证有良好的韧性) 则 性能等级为4 6 ，如果用q 3 4 5 贝t j 为6 6 。普通螺栓一般在设计时不注明性能等级， 只注明钢号l ”。 新的国家标准建筑结构设计术语和符号标准g b t 5 0 0 8 3 - - 9 7 ) ) 在5 - 8 1 5 条 中提出了两种常见的高强度螺栓联接方法口】： ( 1 ) 摩擦型高强度螺栓连接( h i g h s t r e n g t h b o l t e d f r i c t i o n t y p e j o i n t ) 。在安 装时，拧紧高强度螺栓，通过螺杆产生预拉力压紧构件接触面，在板件间产生摩 擦力来传递内力的摩擦联接。这种连接在受剪设计时，以外剪力达到板件接触面 间由螺栓拧紧力( 使板件压紧) 所提供的最大摩擦力为极限。应保证连接在整个使 用期间外剪力不超过最大摩擦力，才能由摩撩力完全承受，且板件问不会发生相 对滑移变形( 螺栓杆和孔壁间始终保持原有空隙) ，被连接件按弹性整体受力。 在钢结构建筑安装工程中，摩擦型联接成为被广泛地采用的主要联接形式。 ( 2 ) 承压型高强度螺栓连接( h i g h - s t r e n g t hb o l t e db e a r i n g - t y p e j o i n t ) 。利用 构件问产生的压紧力的承压联接。对这种连接，受剪设计时只保证在正常使用荷 浙江大学硕士学位论文 载下，外剪力一般不会超过最大摩擦力，受力性能和摩擦型相同；若荷载超过标 准值( 正常使用情况下的载荷值) ，则剪力就可能超过最大摩擦力，被连接板件 间将发生相对滑移变形，直到螺栓杆与孔壁一例接触，此后连接就靠螺栓杆身剪 切和孔壁承压以及板件接触面问摩擦力共同传力，最后以杆身剪切或孑l 壁承压破 坏，即达到连接的最大承载力，作为连接受剪的极限状态。 对于摩擦型和承压型高强度螺栓连接的选型要考虑荷载的类型、结构受力 特点及连接部位等因素。摩擦型高强度螺栓的连接由于始终保持板件接触面间摩 擦力不被克服和不发生相对滑移，因而其整体性和刚度好、变形小、受力可靠、 耐疲劳。主要用于直接承受动力荷载结构的安装连接和构件的现场拼接及高空安 装连接。现国内已在桥梁和一些工业与民用建筑结构中推广使用。承压型高强度 螺栓连接由于受剪时利用了摩擦力克服后继续增长的连接承载力，因而其设计承 载力高于摩擦型，可节省螺栓用量；但与摩擦型高强度螺栓连接相比，其整体性 和剐度稍差、动力性能差，主要用于承受静力或间接动力荷载结构中允许发生一 定滑移变形的连接。目前，国内由于设计使用经验少，应用还不多。国外已在工 业与民用建筑结构中广泛使用嘲。 高强螺栓按外形可分为大六角头高强螺栓和扭剪型高强螺栓两种。大六角 头高强度螺栓的外观和普通螺栓基本一致，只是材料和拧紧的方式不同。扭剪型 高强度螺栓为日本人首创，7 0 年代末随宝钢工程引进。如图1 所示，这种螺栓的 尾部设有槽口和梅花型卡头，在拧紧螺母时用专用的电动扳手套住螺母和卡头一 起拧，直至卡头拧断，此时螺栓也达到了规定的预拉力值。这种高强度螺栓紧固 简单，便于检查是否有漏拧或是欠拧。但耗材略多，预拉力值离散性大及需要专 用扳手，也是其缺点。扭剪型高强度螺栓目前我国只有1 0 9 级。这两种高强度螺 栓的型式与尺寸及性能都有对应的国家标准，大六角头高强度螺栓为g b l 2 2 8 1 2 3 1 9 l ，扭剪型高强度螺栓为钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副型式与尺寸 g b 3 6 3 2 - - 9 5 和钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副技术条件g b 3 6 3 3 9 5 ， 所谓连接副指一个螺栓、一个螺母和一个垫圈( 大六角头高强度螺柱为两个垫 圈) 。大六角头高强度螺栓之所以要两个垫圈是因为其螺栓的加工精度较低，难 以保证它与构件的紧密结合。但要指出的是当螺栓尾部接触的螺孔为椭圆孔时， 此时即便是使用扭剪型高强度螺栓也应增加一个垫圈来盖住椭圆孔，这在北美的 6 浙江大学硕士学位论文 钢结构设计中已是习惯做法”【9 1 。 图i扭剪型高强度螺检 1 螺检2 垫圈3 六角螺母1 螺棱尾部 1 2 高强螺栓紧固力测量及控制现状 由于钢结构中大量使用高强螺栓连接，其施工质量直接影响建筑工程质量 及使用安全。因此，高强螺栓的紧固力必须控制在规定的范围内，过小固然不行， 过大更有害。因为高强螺栓的材料有一定脆性，紧固力过大的螺栓在载荷作用下 有可能最先断裂，从而削弱该节点的承载力，严重时就可能诱发结构失稳，造成 安全事故。影响高强度螺栓连接质量的因素有人员、机械、材料、方法、环境、 测量等六个方面，高强度螺栓安装质量的好坏取决于各道工序的相互控制，若其 中一道工序达不到规定的质量标准，下道工序则很难纠正，有时甚至无法纠正。 为此，国家建设部、国家质检总局联合发布了g b5 0 2 0 5 2 0 0 1 钢结构工程旋工 质量验收规范，对此做了详细规定。1 9 9 5 年建设部颁发的g b5 0 2 0 5 9 5 铜结 构工程施工及验收规范和g b5 0 2 2 1 - - 9 5 钢结构工程质量检验评定标准，对 我国建筑钢结构的推广应用曾起到积极的推动作用。经过几年的工程实践，建筑 钢结构又有了新的发展、为使工程质量验收规范统一化，根据中华人民共和国建 设部建标f 加1 1 8 7 号文的要求，由冶金工业部建筑研究总院合同有关单位共同将 上述两本国家标准修订成统一的g b5 0 2 0 5 - - 2 0 0 1 钢结构工程施工质量验收规 范，作为钢结构施工中必须遵循的技术文件，经建设部批准作为新的国家标准 于2 0 0 2 年3 月1 日施行，原国家标准同时废止。此外还有其他相关标准如g b t 1 2 2 8 1 2 3 l ，g b t3 6 3 2 3 6 3 3 等标准与之配套，足见此事的重要性。 1 0 1 。【1 5 j 高强螺栓预拉力的大小在实际施工时是无法直接测量的，为了拧紧螺栓和 得到所需的高强度螺栓的预拉力，可用扭矩法和转角法决定。前者是控制拧紧螺 浙江大学硕士学位论文 栓的扭矩，后者是控制螺栓与螺母的相对转角以获得螺栓的预拉力。 ( 1 ) 扭矩法 拧紧螺栓时，对螺母施加的扭矩r 与螺栓预拉力p 间的关系为 产k d p 式中：足扫矩系数 d 螺栓公称直径。 对于扭矩系数k ，我国g b l 2 3 1 - - 7 6 钢结构用大六角头螺栓、大六角螺母、垫 圈技术条件规定的扭矩系数k = 0 1 5 o 1 9 ，1 9 8 4 年及1 9 9 1 年重新修订的该标准 中，扭矩系数为k = 0 1 1 o 1 5 ，并规定了整批螺栓扭矩系数的偏差值为0 1 。 在1 9 9 1 年的该标准中还强调1 0 9 s 级高强度大六角头螺栓连接副必须按保证扭矩 系数供货。需要说明的是，国家标准规定高强度螺栓制造厂只对交付的高强度螺 栓的扭矩系数在出厂后半年内负责。超过此期限，高强度螺栓的扭矩系数必须重 新测定。为了获得准确的螺栓拉力，按照扭矩系数换算成所需的拧紧螺栓的扭矩 后，即可用扭矩扳手对高强度螺母施加所需的扭矩。 ( 2 ) 转角法 转角法也是基于拉长螺栓获得预拉力的一种方法。在高强度螺栓的推广过 程中，因为螺栓材质误差与摩擦系数误差大，所获得的扭矩系数也有较大的误差， 致使高强度螺栓的预拉力不易满足需要值，因而改用了转角法。所谓转角是指拧 紧螺母时螺母相对于螺栓的转动角度。在一般情况下，初拧时可用扳手将板层问 拧到紧密贴实，对一般的板厚，即螺栓长度为螺栓直径的4 倍以下时，从紧密状 态将螺母再拧1 3 圈；对较大的板厚，即螺栓长度为直径的4 8 倍时，再拧1 2 圈， 即能得到所需的预拉力，转角的公差为3 0 0 ，但目前转角法采用较少。 采用扭矩法控制螺栓预拉力时由于各个螺栓螺纹面和螺母接触面的摩擦系 数的离散性，致使扭矩系数离散，即使施拧同一扭矩，紧固力也会有很大的离散。 另外由于施工人员素质、施工器具以及施工管理等方面的原因，导致欠拧和超拧 的现象难以完全避免。目前g b5 0 2 0 5 2 0 0 1 钢结构工程施工质量验收规范规 浙江大学硕士学位论文 定的事后检查方法是抽样部分退出重拧。不仅费时费事，而且抽查面很小。对 此国外也尚无成熟的办法。与发达国家相比，我国的建筑施工队伍的素质和施工 机具还有较大差距，一段时期内难以消除。据了解，浙江的钢结构施工企业基本 上都是使用国产扭力扳手，此类扳手标称精度为5 ，据上海、北京的有关计量 检测机构检测，实际往往只达到6 8 ，使用一段时间后，会降低到1 0 ，甚之 低到1 5 。进口扭力扳手能满足要求，但是价格是国产的好几倍，目前采用的相 当少。一些钢结构方面的资深专家对此深为担心。要保证这一产业的健康发展， 还有很多工作要做，而研制一种能方便的检测出高强螺栓紧固力的仪器在我国还 具有特殊重要的意义。 我国目前正处于建筑钢结构迅猛发展的时期，日、韩、西欧等地区住宅钢 结构所占比例高达2 0 5 0 ，而我国目前尚不n 1 【l “，因此钢结构建筑在我 国还有很大的发展空间。浙江省现有钢结构制造、施工企业约1 8 0 家，相关工程 质量检测单位有几十家。按其中三分之一配备该仪器，加上其他行业的需求，将 不少于1 0 0 台。目前全国需求不少于2 0 0 0 台。再考虑到今后几年钢结构产业的进 一步发展，以及在桥梁、电力、交通、航空航天等部门也会得到应用，对螺栓紧 固力测试仪的需求会远远超过2 0 0 0 台。按钢结构工程施工质量验收规范主要起草 人的说法，只要这种螺栓紧固力测试仪能研制出来，使用也方便，就可以写进钢 结构工程施工质量验收规范，强制执行。再考虑到今后几年钢结构产业的进一步 发展，以及在桥梁、电力、交通、航空航天等部门也会得到应用，对螺栓紧固力 测试仪的需求会远远超过2 0 0 0 台。 高强螺栓紧固力如能方便的检测，对保证建筑钢结构的施工质量，促进建 筑钢结构产业的健康发展具有非常重要的意义。 g b5 0 2 0 5 2 0 0 1 钢结构工程施工 质量验收规范的主要起草人、钢结构专家侯兆欣教授认为，这将为建筑钢结构 的质量控制带来根本性的变化。本项目的推广应用将有效地检测出紧固力未达到 规定要求的螺栓，使施工单位能够及时补拧或其他措施，确保施工质量，从而提 高工程质量和安全性，且与以往的检测方法相比，可提高效率数倍。本项目的推 广应用可促进钢结构产业的健康发展。 浙江大学硕士学位论文 1 3 通用螺栓紧固力测量技术 为控制和检测螺栓拧紧时的预紧力和工作状态下的应力状况，国内通常采 用的螺栓紧固力测试方法有扭矩扳手法，电阻应变片电测法，光测力学法，磁敏 电阻传感器测量法等。在工程应用中广泛采用扭矩扳手控制螺栓预紧力和对施工 质量进行检测，由于其设备简单、使用方便等优点，目前己应用于绝大部分旋工 和检测现场。1 4 1 1 5 1 g b5 0 2 0 5 2 0 0 l 钢结构工程施工质量验收规范中对钢结构工 程中高强螺栓施工质量检测标准也是基于扭矩扳手法制定的。口填余三种方法多 应用于实验室条件下对螺栓拧紧和工作状态下轴向应力的实验室测量和分析，具 有测量精度高的优点。但由于设备复杂和工作条件苛刻。目前在工程施工和检测 现场还没有得到广泛应用。 扭矩扳手是通过扭矩间接控制螺栓预紧力的。但由于各个螺栓螺纹面或接 触面的摩擦系数有较大分散性，因而这个测量值将有较大的误差。实际应用中， 即使在确保加工精度和良好润滑的情况下，对实施同一扭矩的螺栓其预紧力也会 有高达3 0 的误差，而且随着应力水平的增加其误差的增加量更加难以确定。此 外，由于螺纹联接中存在严重的应力集中现象，在螺纹牙根部等局部区域的材料 总会产生较大的弹塑性变形，因而采用控制扭矩间接控制螺栓轴向应力的方法受 摩擦系数分散性和应力集中现象影响存在较大误差和安全隐患，而且对某些安装 后不能再拧紧的螺栓，如使用这种测量方法，将会损坏结构。【1 7 】f 2 0 2 9 】 电阻应变片电测法通过测量螺栓表面应变获得螺栓轴向应力，测量精度高 于扭矩扳手。首先在松弛状态下于螺栓夹紧段表面粘贴电阻应变片，拧紧后螺栓 轴向应力使螺栓表面产生相应轴向变形，而相应改变电阻应变片阻值。通过应变 计测量应变片电阻的变化可计算螺栓表面轴向应变，并根据虎克定理推算出被测 螺栓表面的应力。用这种方法测螺栓轴向紧固力，必须将应变片贴在螺栓夹紧段 的侧面上，多用于实验室环境下的测量和分析。且电阻应变片应力传感器仅能反 映被测螺栓表面的应力，同样受局部应力集中现象影响，且螺栓在拧紧时表面会 产生一定剪切形变，导致测量结果与实际轴向应力有偏差。 光折射方法利用光弹性效应测量透明材料的应力，制成的设备较复杂并且 只能应用于工程材料为透明体时的在线检测，对于螺栓紧固力的测量仅局限于实 o 浙江大学硕j 二学位论文 验室条件下，不能用于施工现场。光折射方法是实体材料应力的一项重要的实验 室检测方法，首先采用透明材料制作实际工程中实体材料的模拟体，再利用该模 拟体模拟出实际工程条件下的受力状态，通过光折射法分析模拟体的内部和表面 应力情况可获得实际工况下材料的应力情况。该方法可非常直观的显示材料应力 的分布情况和大小，但由于是一种实验室研究方法，并不能广泛应用于工程上的 在线检测。1 2 2 1 2 3 】 磁敏电阻传感器作为一种新型传感器，它结构简单、坚固、输出信号大、 抗过载能力、抗干扰能力强、能在恶劣环境条件下( 水淋、油烟、高温、高压、 尘雾) 可靠工作，越来越得到人们的重视。但是精度都不高，在机械力和磁场共 同作用下工作时，其变换过程很复杂，在螺栓紧固力测量场合的应用技术并不成 熟。川 1 4 超声检测基础理论 以频率厂来表征声波时，以人的可感觉频率为分界线，可把声波划分为次声 波( f 2 0 k h z ) 。在超声波 检测中，最常使用的频率范围为0 5 1 0 m h z 。由于声源在介质中的振动方向与 波在介质中传播的方向可以相同也可以不同，可产生不同类型的声波，超声波波 型主要有纵波、横波、瑞利波和板波1 3 0 1 。其中纵波的质点振动方向与波的传播 方向一致，横波的质点振动方向与波的传播方向垂直，因为液体和气体介质缺乏 恢复横向运动的弹性力，所以横波不存在于液体和气体介质中。通常情况下，由 于波型转换效应，固体介质中同时存在超声横波和纵波。瑞利波存在于半无限大 固体介质和气体介质的交界面上，质点在该界面上作椭圆振动，由于椭圆振动可 视为纵向振动和横向振动的合成，因此瑞利波和横波一样只能存在于固体介质 中。如果固体介质的尺寸进一步受到限制而成为板状，当板厚减小到某一程度时， 瑞利波就不会存在而只能产生各种类型的板波，其中最主要的是蓝姆波。 1 4 1 超声波传播特性 超声波在无限大且各向同性的介质中传播时，其波形是根据波阵面的形状来 区分的。波阵面是指同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所联成的丽；波前 浙江大学硕士学位论文 是指某一时刻振动所传播到的距声源最远的各点所联成的面。波线是指波传播方 向的线。可见在各向同性的介质中波线恒垂直于波阵面；在任何时刻波前的位置 总是确定的，并且只能有一个，而波阵面的数目可以是任意多的。 波阵面为平面的波成为平面波。一个作谐振动的无限大平面在各向同性的弹 性介质中传播的波是平面波。如不考虑介质吸收波的能量，则声压不随距声源的 距离变化而变化，即声压是个恒量。理想的平面波是不存在的，但如果声源平面 的长、宽尺寸比所产生的声波波长大的多时，该声源发射的声波可近似看作平面 波。 当声源是个点状球体时，波阵面是以声源为中心的球面，球面波的声强与距 声源距离的平方成反比，故声压与距离成反比。在超声检测中，特别是检查大试 件时，球面波时最重要形式的波。这是因为由一般超声波振子所发出的波在很远 的距离处可看成是球面波。 在超声检测的实际应用中，圆盘型声源尺寸既不能看成很大也不能看成很 小因此它所发出来的超声波介于球面波与平面波之间，称为活塞波。 当超声平面波垂直入射到声特性阻抗不同的两介质的大平界面时，如图2 所示，则入射波能量( 声强为，d ) 的一部分迸入介质i i 成为透射波( 声强为五) ， 另部分能量被界面反射回来，仍在介质i 中传播成为反射波( 声强为) ，根 据能量守恒定律： i o j f + i 。 在实际检测工作中常用反射声压( 肼) 与入射声压( p d ) 的比值表示声压反 射系数r ，则有： ，：笠：垒二刍 p oz + z 1 ( 2 ) 用透射波声压( a ) 与入射声压( p 。) 的比值表示声压透射系数f ，则有： f ：盟：三生 p dz + z l ( 3 ) 浙江大学硕士学位论文 由于声强与声压的关系可表示为= _ p 2 2 z ，相应的可得： 声强反射系数：胄= 每= r 2 = ( 再z 2 - - z 1 2 声强透射系数： z i = p i c l z 2 = p 2 c 2 图2 对大平界面垂直入射的反射和透射 ( 4 ) ( 5 ) 当入射声压为m 的声波经z v z 2 界面部分透射到第二介质中并在底面由空气 界面完全反射后又透射过z l z 2 界面并得到声压n ，如图3 所示。返回声压p ，与 入射声压风之比为声压往返透射比昂，由： 旦：旦 ( 6 ) p dz + e , 1 p ，一2 。】 p lz + 2 l 可得：l = 旦 p 。 p r 。肌p f z 1 1 ， ， 一- z 2 np t 一l ， 空气z 0 图3 声压往返透射比 ( 7 ) ( 8 ) 器 i i 一l = 尺 i。，i。1- 器 = 一n 浙江大学硕士学位论文 1 4 2 圆盘声源的超声场 圆盘声源是指一种平面状的圆振子，当它沿平面法线方向振动时，其面上 各点的振动速度的幅值和相位都是相同的，产生活塞波。 根据叠加原理，声束中心轴线上任何一点处的声压等于声源上各点幅值的 声压在该点的叠加。由于源上各点到达该点的声程不同，叠加时有相位差，因而 在整个声束轴线上出现有声压极大值和极小值的波动。如果声源发出的波为连续 简谐波，且不考虑衰减，则圆盘形纵波声源在声束轴线上声压分布的表达式可表 示为： 删p c u o s i n 医( 丽一叫 式中：p 、c 为介质的密度和声速： “o 为源表面质点振动速度； r 为圆盘声源半径； 为声在介质中的波长； 口为声束轴线上一点与源的距离。 声轴线上摄后一个声压极大值点至声源的距离称为近场长度，当晶片直 径d 远大于波长 时： 。竺：旦( 1 0 ) 4 z 翮 式中，a 为晶片面积。 距离小于的范围称为近距离声场，距离大于的范围称为远距离声场。 在远距离声场中，当口= 1 6 n 时，圆盘源轴线上的声压与球面波的声压之问的误 差约为1 5 ；a = 2 n 时，误差约为1 0 ；a 3 n 时，差别己非常小。 对于方形晶片来说，如果把方片的一边长度看成d ，可按上式计算出大致 的近距离声场。 同样依据叠加原理，声源辐射声场内任一点的声压也可以用声源上各点辐 射声压在该点叠加来计算。超声场内有主声束和副瓣声束，超声波能量的主要部 分集中在主声束中，声束集中向一个方向辐射的性质叫做声场的指向性。如图4 浙江大学硕士学位论文 所示。 7 9 d 0 9 0 图4 超声场的指向性 在与声源相距r 远大于声源尺寸d 处有一个声压正好为零的方向，这个方 向与中心轴之间的夹角a o 可用来表示声束的指向性，称为指向角。 指向角可用下式表示： s i n a o 砜告 n ” 式中：r 。= 1 2 2 ( 圆晶片) ；1 0 ( 方晶片) ； 为传播介质中声波的波长； d 为圆声源的直径、方声源的边长。 显然，声源的直径( 边长) d 愈大，波长 施a o 愈小，指向愈尖锐： 尺寸相同，方晶片的指向性要比圆晶片好。对于圆、方晶片，当 d 时，上式 可表示为： a o “_ 2 2 去 “2 ) 由于超声能量基本上集中在主声束，因此对于圆晶片当距离日b 时，可认 为超声能量未溢出以晶片面积为底的圆柱体。 超声应力检测中，应用最为广泛的是脉冲波。一个脉冲波可看成由多个正 弦波叠加而成，因此可以通过研究各种频率的正弦波声场来分析脉冲波声场，其 中每种频率的超声波决定一个声场，总声场为各种频率声场的合成。圆盘脉冲声 场的声压分布有以下特征： ( 1 ) 主声束的形状和声束轴线上各转变位置与脉冲振荡次数n 关系不大，对 于远场，可近似应用由连续波导出的表达式代入脉冲波的中心频率计算声 浙江大学硕士学位论文 场参数 ( 2 ) 脉冲振荡次数n 对于在0 a o 5 n 的近场区内的声压分布影响极大，h = 2 的近场声压分布要比n = 2 4 时简单的多，波动干涉点的数目、副瓣声 束数目和尺寸大为减小； ( 3 ) 在垂直于主声束轴向上，声压的分布是完全对称的。 1 4 3 超声波衰减理论 超声波在实际介质传播时，其能量将随着距离的增大而逐渐减小，称为声 衰减现象。从理论上将，声衰减起因有三个主要方面： ( 1 ) 由声束扩展引起的衰减 在声波的传播过程中，随着传播距离的增大，非平面声波的声束不断扩展 增大，因此单位面积上的声能随距离的增大而减弱，这种衰减成为扩散衰减。扩 散衰减仅取决于波的几何形状而与传播介质性质无关。在远离声源的声场中，球 面波的声压p 与至声源距离r 成反比，平面波不存在扩散衰减。 ( 2 ) 由散射引起的衰减 由于实际材料不可能绝对均匀，例如材料中有外来杂质金属中的第二相析 出、晶粒的任意取向等均会导致整个材料声特性阻抗不均匀，从而引起声的散射。 被散射的超声波会在介质中沿着复杂的路径传播下去，最终变为热能，这种衰减 称为散射衰减。 ( 3 ) 由介质的吸收引起的衰减 超声波在介质中传播时，由于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦，从 而使一部分声能转变为热能。同时，由于介质的热损耗，以及由于分子弛豫造成 的吸收，这种衰减称为吸收衰减。 对于平面余弦波来说，声压衰减规律可用下式表示： p = p o e 一“ 式中：内为入射到材料界面上时的声压 ( 1 3 ) 6 浙江大学硕士学位论文 p 为超声波在材料中传播一段距离a 后的声压 a 为衰减系数。 需要指出的是，对于大多数固体和金属介质来说，通常所龅的超声衰减，即 由a ( 衰减系数) 表征的衰减仅包括散射衰减a 。和吸收衰减a 。而不包括扩散衰 减，如果考虑衰减的扩散部分，则在晶片中心轴线上某一距离处( 3 ) ，可 将衰减写成： p ：p 。善e - m ( 1 4 ) a a 式中：盯= 口s + 口。 吸收衰减口。可表示为a 。= - - - c l f 式中：厂_ 超声波频率； c 1 为与晶粒大小和各向异性无关的常数。 散射衰减a 。小根据晶粒大小d 与波长 的关系分为三种： d a 时，as c 4 f t r l 式中：c 2 、晚、c 4 为常数： f 为各向异性因子： d 为晶粒直径。 超声波在均匀固体介质中有较强的穿透性，并且在不同介质中有不同程度 的衰减，目前己逐渐成为一种有效的工业和医疗检测工具，可用于无损探测构件 内部的损伤及生物组织结构，还能测量温度、厚度及应力等。超声波无损探伤和 超声医学影像技术是超声波无损检测在工业和医疗领域的典型应用。此外，超声 应力检测也是超声波无损检测的重要应用领域。 浙江大学硕上学位论文 1 4 4 超声换能器概述 超声换能器是电信号和超声信号进行能量转化的器件，超声信号的发射和 接收都必须通过换能器。超声换能器一般有磁致伸缩换能器和压电晶体换能器两 类。属于磁致伸缩的有镍片换能器和铁氧体换能器。铁氧体换能器的电声转换效 率比较低。一般使用一、二年后效率下降，甚至几乎丧失电声转换能力。镍片换 能器的工艺复杂，价格昂贵，所以至今很少使用。 目前广泛使用压电晶体换能器。这种换能器电声转换效率高，原材料价格 便宜、制作方便且不易老化。换能器的灵敏度和带宽取决于压电晶片，对于压电 材料，压电应力常数e 值大，表示施加较小的电压就能产生较大的振动，即发射 性能好。机电祸合系数k 反映压电晶片作厚度振动时的机电耦合效应，k 越大， 表示在厚度方向上的电一声转换效率越高。常用的材料有石英晶体、钛酸钡 ( b a t i 0 3 ) 和锆钛酸铅( p b t i z r 0 3 ，简称p z n 。石英晶体的伸缩量太小，3 0 0 0 v 电 压才产生o 0 1 u m 以下的变形。钛酸钡的压电效应比石英晶体大2 0 3 0 倍，但效 率和机械强度不如石英晶体。锆钛酸铅具有二者的优点，表征能量转换效率的纵 向机电耦合系数约7 0 ，相对其它压电材料，其值比较大。图5 为各种用于工 业超声检测的换能器。高强螺栓应力检测要求较高的激励效率以及机械强度，因 而选用p z t 作为换能器的压电材料。 图5 各种工业超声检测换能器 在高频超声波领域中，常用石英、铌酸锂( l i n i 0 3 ) 、钛酸锂( t i t a 0 3 ) 等一类 的单晶压电材料。换能器的工作频率越高，用于换能器的压电晶片就作得越薄， 加