王鋒，李雄兵

基于預(yù)緊力工況下的原位螺栓超聲檢測(cè)研究

王鋒1，李雄兵2

(1. 中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062；2. 中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

高鐵制動(dòng)盤螺栓疲勞裂紋可能會(huì)危害列車行車安全，有必要進(jìn)行原位檢測(cè)。但常用小角度縱波檢測(cè)未考慮原位狀態(tài)下預(yù)緊力的影響，螺栓缺陷定量精度不足。運(yùn)用CIVA軟件對(duì)原位螺栓裂紋進(jìn)行仿真并優(yōu)化檢測(cè)工藝；利用有效彈性常數(shù)法表征螺栓在應(yīng)力誘導(dǎo)下的宏觀各向異性，研究預(yù)緊力對(duì)缺陷定量的影響規(guī)律。建立原位狀態(tài)的螺栓模型，分析折射角，晶片尺寸，頻率和帶寬對(duì)螺栓聲場(chǎng)和缺陷回波的影響，選擇最佳工藝參數(shù)?；诖藚?shù)，模擬不同預(yù)緊力下不同尺寸缺陷的回波。研究結(jié)果表明：不同預(yù)緊力下回波幅值不同。最后，繪制缺陷大小?波幅曲線圖，實(shí)現(xiàn)螺栓缺陷定量分析。對(duì)實(shí)際螺栓開展原位檢測(cè)，結(jié)果表明考慮預(yù)緊力后，缺陷定量誤差降低了12%。

螺栓；預(yù)緊力；超聲原位檢測(cè)；缺陷定量；CIVA仿真

螺栓作為高鐵制動(dòng)盤的重要緊固件，在列車制動(dòng)過程中長(zhǎng)時(shí)間處于高溫、高載荷、沖擊和振動(dòng)等惡劣工況下，易于產(chǎn)生疲勞裂紋，存在螺栓斷裂等安全隱患[1]。所以，對(duì)制動(dòng)盤螺栓進(jìn)行疲勞裂紋檢測(cè)是十分必要的。目前，常用的螺栓無損檢測(cè)方式為電磁檢測(cè)和超聲檢測(cè)[2]。由于超聲檢測(cè)具有穿透能力強(qiáng)，靈敏度高，速度快，成本低和對(duì)人體無害等諸多優(yōu)點(diǎn)[3]，且檢測(cè)時(shí)無需將螺栓進(jìn)行拆解，故其普遍應(yīng)用于螺栓的裂紋檢測(cè)。然而，由于螺栓形狀的限制，缺陷反射波與干擾波相互作用等因素的影響，已有的螺栓裂紋超聲檢測(cè)方法難免出現(xiàn)漏檢、誤檢。劉洪濤[4]基于多次試驗(yàn)找到了合適頻率、折射角的小角度探頭，實(shí)現(xiàn)了鉆鋌螺紋根部區(qū)域的超聲檢測(cè)，不過沒有實(shí)現(xiàn)缺陷的定量分析。汪軍 等[5]利用CIVA仿真軟件，分析頻率與晶片尺寸對(duì)航空螺栓缺陷判定的影響，但沒有考慮未拆卸情況下，螺栓所受到的載荷情況。張海兵等[6]研究了利用瑞利波對(duì)螺栓裂紋檢測(cè)的方法，當(dāng)折射角變大時(shí)瑞利波的檢測(cè)也變得困難。DONG等[7]利用橫波和縱波斜探頭對(duì)汽輪機(jī)緊固螺栓進(jìn)行超聲波檢測(cè)，基于裂紋波的特征以及螺紋波的位置規(guī)律對(duì)裂紋缺陷進(jìn)行判定，該方法僅對(duì)螺栓進(jìn)行了定性判廢，未對(duì)缺陷大小進(jìn)行定量分析。綜上，雖然螺栓缺陷的超聲檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但往往沒有考慮原位狀態(tài)下螺栓受到的預(yù)緊力的影響，且沒有實(shí)現(xiàn)缺陷的定量分析。本文以CRH5和CRH3型系列動(dòng)車組制動(dòng)盤盤轂螺栓為研究對(duì)象，利用有效彈性常數(shù)(effective elastic constants，EECs)模擬螺栓的原位狀態(tài)，構(gòu)建螺栓模型，利用CIVA仿真軟件，分析頻率、晶片尺寸、帶寬、折射角對(duì)聲場(chǎng)強(qiáng)度以及缺陷回波的影響，得到超聲檢測(cè)的最佳工藝參數(shù)。通過分析不同大小、位置缺陷的響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)缺陷的定量分析。

1 原理

CIVA聲場(chǎng)計(jì)算的理論基礎(chǔ)是Pencil法修正的瑞利積分法[8?9]。瑞利積分的原理是將探頭看做離散的點(diǎn)源，介質(zhì)中任意位置處的聲壓就是探頭中的所有點(diǎn)源在該處產(chǎn)生的聲壓之和[10]?；谌鹄e分法，介質(zhì)中任意一點(diǎn)在時(shí)刻的聲壓可以表達(dá)為：

式中：T為探頭內(nèi)發(fā)射聲場(chǎng)的面積；dT代表探頭內(nèi)的點(diǎn)源的面積；T代表點(diǎn)源的位置；為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度。由于瑞利積分模型在計(jì)算聲場(chǎng)傳播時(shí)，不能實(shí)現(xiàn)超聲波聲壓隨距離增大而逐漸衰減的計(jì)算。因此，需要引入Pencil法對(duì)模型進(jìn)行修正。Pencil法假定超聲波傳播為一條射線，在傳播過程中發(fā)生散射。聲束在傳播過程中的衰減可以用振幅衰減因子表示，并利用Pencil法求解振幅衰減[11]：

式中：為Pencil的截面積；為一個(gè)2×2矩陣，與超聲波的傳播矩陣相關(guān)。不同介質(zhì)中，超聲波的傳播矩陣不一樣，矩陣也不一樣。各向同性介質(zhì)中的矩陣為：

而各向異性介質(zhì)中的矩陣為：

式中：r表示聲束在軸線方向的傳播距離；g計(jì)算公式為：

但在CIVA仿真軟件中，無法直接添加外載荷，因此已有的CIVA仿真研究都沒能對(duì)原位狀態(tài)下螺栓的聲場(chǎng)和缺陷響應(yīng)進(jìn)行仿真。本文考慮到實(shí)際的螺栓超聲檢測(cè)需要在不拆卸的狀態(tài)下進(jìn)行，則在螺栓上施加的預(yù)緊力不可忽略，因此本文提出了含外載荷的CIVA超聲仿真方法。首先，螺栓上需要施加一定的預(yù)緊力以保證結(jié)構(gòu)的安全可靠，這使原位狀態(tài)下的螺栓受到拉伸力的作用，產(chǎn)生軸向應(yīng) 力[13]；然后，假設(shè)無外載荷狀態(tài)下的螺栓材料為宏觀均勻且各向同性的，并假設(shè)該材料在受到外載荷后，出現(xiàn)應(yīng)力導(dǎo)致的宏觀各向異性現(xiàn)象；最終，利用CIVA仿真軟件的宏觀各向異性介質(zhì)仿真能力，對(duì)預(yù)緊力作用下螺栓的聲場(chǎng)和缺陷響應(yīng)進(jìn)行仿真。其中，利用EECs模擬各向同性的螺栓中沿軸向施加載荷后所展現(xiàn)的各向異性特征[14]：

要成功地開展教學(xué)，CLIL教師必須：1.具備專業(yè)課知識(shí)或稱學(xué)科知識(shí)2.具備較強(qiáng)的外語能力3.靈活應(yīng)用課堂語言4.掌握為學(xué)生搭建支架平臺(tái)的技巧（Instructional scaffolding）。根據(jù)Bulter(2005)的一項(xiàng)調(diào)查，教師缺乏專業(yè)課和英語能力影響課堂CLIL的成功。

式中：為螺栓孔徑；為預(yù)緊力。因此，可以借助CIVA軟件模擬原位狀態(tài)下螺栓的聲場(chǎng)分布情況以及缺陷響應(yīng)。

2 預(yù)緊力作用下的螺栓檢測(cè)仿真

本文所采用的是CIVA2020仿真軟件中的超聲檢測(cè)模塊。利用其聲場(chǎng)計(jì)算模塊對(duì)不同參數(shù)下螺栓內(nèi)的聲場(chǎng)分布進(jìn)行對(duì)比分析；在缺陷響應(yīng)模塊下，設(shè)置不同參數(shù)進(jìn)行超聲仿真，模擬真實(shí)的缺陷回波信號(hào)，選擇最佳檢測(cè)工藝參數(shù)。具體步驟如下：

2.1 螺栓模型的建立

如圖1所示，為CRH5、CRH3型系列動(dòng)車組制動(dòng)盤盤轂所用的M14螺栓，螺栓的材料為30MnB4。設(shè)置模型的幾何尺寸，對(duì)螺栓進(jìn)行CAD建模并導(dǎo)入CIVA仿真軟件中。螺栓的密度為7.8 g/cm3。設(shè)置螺栓的預(yù)緊力為=55 kN，通過輸入有效彈性常數(shù)代替彈性常數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓原位狀態(tài)的模擬。螺栓模型的網(wǎng)格精度取決于超聲波的波長(zhǎng)，通常設(shè)網(wǎng)格大小為/5以保證仿真模擬的精度。通過設(shè)置計(jì)算區(qū)域，來形成固定邊界以實(shí)現(xiàn)波的 反射。

單位：mm

2.2 超聲探頭的設(shè)置

對(duì)于螺栓的超聲檢測(cè)，比較常用的探頭為：直探頭、縱波斜探頭和橫波斜探頭。其中，小角度縱波斜探頭的靈敏度最高，且更適用于螺栓端面為平面的情況，故采用縱波斜探頭進(jìn)行檢測(cè)[5]。設(shè)置探頭為圓形單晶片，波形為縱波，其入射點(diǎn)為螺栓端面的中心。聚焦方式設(shè)置為平面。楔塊材料為有機(jī)玻璃，其縱波聲速為3 080 m/s。設(shè)置超聲探頭的折射角為4°，頻率為10 MHz，帶寬為50%，晶片尺寸為8 mm。

2.3 聲場(chǎng)的仿真

按照以上參數(shù)設(shè)置，模擬螺栓螺紋處的聲場(chǎng)分布情況。如圖2所示，圖2(a)為CIVA仿真模型，圖2(b)為螺栓螺紋處的聲場(chǎng)分布圖。接著，在保證其他相關(guān)參數(shù)不變的情況下，再分別設(shè)置不同的折射角、中心頻率、晶片尺寸和帶寬進(jìn)行超聲仿真?？梢园l(fā)現(xiàn)，帶寬對(duì)聲場(chǎng)計(jì)算結(jié)果幾乎沒有影響，折射角主要影響主聲束的指向。隨著晶片尺寸的增加，聲場(chǎng)強(qiáng)度的最大值會(huì)有所增加，但當(dāng)晶片尺寸大于工件直徑時(shí)，聲場(chǎng)能量將有所損失，故晶片尺寸的選擇應(yīng)不大于工件尺寸。同時(shí)，隨著探頭中心頻率和晶片尺寸的增加，擴(kuò)散角會(huì)更小，聲場(chǎng)的聚焦深度會(huì)增大，需要根據(jù)缺陷的深度選擇不同的探頭頻率以及晶片尺寸。為了選擇最合適的工藝參數(shù)，還需要分析不同參數(shù)對(duì)缺陷響應(yīng)的影響。

2.4 缺陷波的仿真

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)制動(dòng)盤盤轂的螺栓和螺母擰緊后，受力最大的區(qū)域是螺母與螺桿接觸的第一個(gè)螺牙處，疲勞裂紋有很高的頻率會(huì)產(chǎn)生在這一位 置[15]。采用凹槽模擬實(shí)際工程中的螺栓裂紋缺陷，設(shè)置凹槽缺陷深度為1 mm，沿螺栓徑向切割。缺陷中心與螺帽端部的垂直距離為93.2 mm。按照以上參數(shù)設(shè)置，模擬螺栓的缺陷響應(yīng)。曲線回波信號(hào)如圖2(c)所示。

(a) CIVA仿真模型；(b) 聲場(chǎng)分布圖；(c) 缺陷回波信號(hào)

3 基于CIVA的螺栓檢測(cè)工藝優(yōu)化

超聲縱波斜探頭的檢測(cè)工藝需要確定一系列的參數(shù)，如中心頻率、折射角、晶片尺寸和帶寬等。通過設(shè)置不同的探頭頻率、晶片尺寸、帶寬以及折射角對(duì)螺栓進(jìn)行仿真模擬，分析不同參數(shù)對(duì)聲場(chǎng)強(qiáng)度和缺陷響應(yīng)的影響。選擇最佳工藝參數(shù)，指導(dǎo)螺栓超聲無損檢測(cè)的工藝制定。

3.1 折射角的影響

圖3 折射角對(duì)距離誤差及回波波幅的影響

圖4 中心頻率對(duì)距離誤差及回波波幅的影響

3.2 中心頻率的影響

按照先前的設(shè)置，設(shè)折射角為4°，為研究探頭中心頻率對(duì)螺栓裂紋缺陷檢測(cè)的影響，設(shè)置頻率為2～14 MHz，計(jì)算獲得的缺陷回波。由圖4可以看出，對(duì)于螺栓側(cè)面的裂紋缺陷，仿真所檢測(cè)到的缺陷中心位置隨頻率變化的波動(dòng)并不大，保持在0.1 mm以內(nèi)，與折射角相比，影響較小。但頻率對(duì)缺陷反射波的波幅影響較大。當(dāng)頻率為10 MHz時(shí)，反射波波幅最大，更容易區(qū)分缺陷波，發(fā)現(xiàn)細(xì)小缺陷。所以選擇10 MHz時(shí)的檢測(cè)效果最好。

3.3 晶片尺寸的影響

保持其他參數(shù)不變，為研究晶片尺寸對(duì)螺栓裂紋缺陷檢測(cè)的影響，設(shè)置晶片尺寸為2～14 mm，計(jì)算獲得的缺陷回波。圖5結(jié)果顯示，設(shè)置不同晶片尺寸下所測(cè)出的缺陷回波有所不同，但仿真檢測(cè)到的缺陷中心位置隨晶片尺寸的變化并不大，相差保持在0.05 mm以內(nèi)。不同晶片尺寸對(duì)波幅也有一定的影響，晶片尺寸過小會(huì)造成波幅降低，不易于觀察缺陷波。結(jié)合缺陷定位和回波波幅分析可知，對(duì)于螺紋的疲勞缺陷，當(dāng)晶片尺寸為8 mm時(shí)，檢測(cè)效果更好。

圖5 晶片尺寸對(duì)距離誤差及回波波幅的影響

3.4 帶寬的影響

保持其他參數(shù)不變，為研究帶寬對(duì)螺栓側(cè)面缺陷檢測(cè)的影響，設(shè)置帶寬為20%～80%，計(jì)算獲得的缺陷回波。由圖6可以看出，不同帶寬的探頭均可檢測(cè)出缺陷。帶寬對(duì)缺陷的定位精度以及缺陷回波的波幅影響都不大，但對(duì)缺陷回波的波形影響很大。當(dāng)帶寬過小時(shí)，缺陷回波信號(hào)易與側(cè)壁回波混合，不利于區(qū)分缺陷波。缺陷回波和聲場(chǎng)強(qiáng)度受帶寬改變的波動(dòng)均較小，一般情況下，選擇帶寬為50%左右即可。

圖6 帶寬對(duì)距離誤差及回波波幅的影響

4 螺栓的缺陷定量方法

按照仿真得到的最佳工藝參數(shù)，設(shè)中心頻率為10 MHz，折射角為4°，帶寬為50%，晶片尺寸為8 mm。設(shè)缺陷為切口深度1 mm的凹槽缺陷，疲勞缺陷通常只出現(xiàn)螺桿與螺母連接的螺牙處，即在距螺帽93～93.4 mm以及95～95.4 mm螺牙處，對(duì)這段距離上的缺陷回波最高點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，并記錄在表1中。從表1可知，由于檢測(cè)區(qū)域較小，且檢測(cè)區(qū)域距離螺帽端面較遠(yuǎn)，缺陷回波波幅隨距離變化的幅度并不大。

表1 不同位置處1 mm凹槽缺陷的回波幅值

也可以得到由缺陷回波波幅求解凹槽切口深度的表達(dá)式為：

將檢測(cè)到的缺陷回波波幅代入式(11)便可以求出缺陷切口深度，實(shí)現(xiàn)缺陷大小的準(zhǔn)確判定。此外，從圖7可以看出，隨著缺陷切口深度的不斷增加，缺陷回波的波幅也不斷增大。且不同預(yù)緊力下的回波波幅是不一樣的，但曲線的變化形式大致是一樣的。無應(yīng)力的曲線與另2條曲線均有交點(diǎn)，相交之前同樣深度缺陷無應(yīng)力狀態(tài)下的缺陷回波更小，相交之后則無應(yīng)力狀態(tài)下的缺陷回波更大?？芍?，若不考慮螺栓原位狀態(tài)下載荷的作用，測(cè)出的缺陷大小與真實(shí)缺陷會(huì)存在一定的誤差。圖8展示了不同預(yù)緊力下1 mm缺陷的回波?？梢园l(fā)現(xiàn)，預(yù)緊力影響了缺陷回波的幅值和缺陷定位。倘若不考慮螺栓原位狀態(tài)下預(yù)緊力的影響，測(cè)得的缺陷尺寸將偏大，可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)判、誤判的情況，無法保證檢測(cè)的可靠性。所以對(duì)原位狀態(tài)螺栓進(jìn)行缺陷定量分析時(shí)不能忽略預(yù)緊力的影響。

圖7 不同預(yù)緊力下切口深度對(duì)回波波幅的影響

圖8 不同預(yù)緊力下的缺陷回波

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

按照以上工藝參數(shù)，利用Krautkramer USM 36數(shù)字超聲波探傷儀對(duì)螺栓進(jìn)行超聲檢測(cè)。在距螺帽端部93 mm處的螺牙上加工一個(gè)1 mm的人工缺陷。如圖9所示，首先在無應(yīng)力的狀態(tài)下對(duì)螺栓缺陷進(jìn)行超聲檢測(cè)。將探頭晶片裝在內(nèi)徑與螺帽尺寸相當(dāng)?shù)臍んw內(nèi)，檢測(cè)時(shí)將裝好的探頭在螺帽一端旋轉(zhuǎn)一周，實(shí)現(xiàn)超聲掃查。缺陷波的超聲檢測(cè)結(jié)果如圖11所示，可以明顯發(fā)現(xiàn)缺陷波的存在，且與圖8中CIVA仿真所生成的超聲A波包絡(luò)線大致相符。多次重復(fù)該實(shí)驗(yàn)，將得到的電壓幅值代入式(13)可以得到的缺陷尺寸為0.94±0.10 mm。

隨后，將帶有人工缺陷的螺栓與制動(dòng)盤裝配到一起，并施加預(yù)緊力為55 kN。如圖10所示，按照同樣的步驟對(duì)原位狀態(tài)下的螺栓缺陷進(jìn)行檢測(cè)，一次超聲檢測(cè)結(jié)果如圖11所示。多次重復(fù)該實(shí)驗(yàn)，將得到的電壓幅值分別代入式(13)和式(14)可以得到的缺陷尺寸分別為1.16±0.14 mm以及1.04±0.08 mm。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果可知，倘若不考慮原位狀態(tài)下應(yīng)力的影響，檢測(cè)到的缺陷尺寸與真實(shí)尺寸不符，結(jié)果較真實(shí)尺寸偏大。這與CIVA仿真所得到的結(jié)論一致?？紤]預(yù)緊力后，定位誤差降低了約12%。

圖9 無應(yīng)力螺栓的檢測(cè)示意圖

圖10 原位螺栓的檢測(cè)示意圖

圖11 超聲探傷儀檢測(cè)結(jié)果

6 結(jié)論

1) 基于CIVA仿真軟件對(duì)螺栓超聲檢測(cè)工藝進(jìn)行研究，結(jié)果顯示預(yù)緊力為55 kN時(shí)，在折射角4°，中心頻率10 MHz，晶片尺寸8 mm和帶寬50%的工藝參數(shù)下檢測(cè)效果較好；計(jì)算電壓幅值?缺陷大小關(guān)系式，實(shí)現(xiàn)螺栓裂紋缺陷的定量分析。仿真結(jié)果可以指導(dǎo)螺栓檢測(cè)工藝的制定。

2) 不同預(yù)緊力下缺陷回波波幅不一樣，但均會(huì)隨著缺陷切口深度的增加而不斷增大。螺栓裂紋缺陷的定量分析不可忽略預(yù)緊力的作用。實(shí)際螺栓的超聲檢測(cè)證明，考慮預(yù)緊力作用后，定位誤差降低了約12 %。

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Study of ultrasonic testing method for in-situ bolts based on pre-tightening force

WANG Feng1, LI Xiongbing2

(1. CRRC Changchun Railway Vehicles Co., Ltd., Changchun 130062, China;2. School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Bolts fatigue crack of EMU brake disc may endanger the train safety, so the in-situ testing is necessary. However, the widely used small-angle longitudinal wave detection method cannot consider the influence of pre-tightening force of in-situ bolts, as a result it can’t ensure the sizing accuracy of bolts crack. In this paper, simulation studies were carried out for in-situ bolts fatigue crack by CIVA simulation software to optimize the process parameters. The effective elastic constants method was used to characterize the stress-induced macroscopic anisotropy of bolts, and then the influences of pre-tightening force on flaw sizing were studied. By establishing the simulation model of in-situ bolts, the influences of refraction angle, chip size, frequency and bandwidth on ultrasonic field and defects in response were analyzed, and the optimum process parameters were selected. Based on the optimum parameters, defects wave with different depths under different pre-tightening forces were simulated. The simulation results show that the amplitudes of defects wave under different pre-tightening forces are different. Finally, flaw sizing analysis of bolts can be realized by making defect size-amplitude curve. In-situ ultrasonic testing for fastening bolts of EMU brake disc was carried out, and the experimental results show that flaw sizing error is reduced by 12% after considering the influence of pre- tightening force.

bolts; pre-tightening force; in-situ ultrasonic testing; flaw sizing; CIVA simulation

TB255

A

1672 ? 7029(2021)01 ? 0038 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200833

2020?09?01

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2017YFB1201302-13)

李雄兵(1977?)，男，湖南邵東人，教授，博士，從事超聲無損檢測(cè)與評(píng)價(jià)研究；E?mail：lixb213@csu.edu.cn

(編輯 蔣學(xué)東)