基于超声导波的螺栓轴向应力测量方法

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.188

工程设计学报

2024, Vol. 31

Issue (3): 280-291 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.188

机械设计理论与方法

基于超声导波的螺栓轴向应力测量方法

杨宇¹(

),杨昌群²,赵勃^3,⁴(

)

^1.广东宇成达通信科技有限公司，广东深圳 518000
^2.国家石油天然气管网集团有限公司华南分公司，广东广州 510000
^3.哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所，黑龙江哈尔滨 150080
^4.哈尔滨工业大学超精密仪器技术及智能化工业和信息化部重点实验室，黑龙江哈尔滨 150080

Measurement method of bolt axial stress based on ultrasonic guided waves

Yu YANG¹(

),Changqun YANG²,Bo ZHAO^3,⁴(

)

^1.Guangdong Yuchengda Communication Technology Co. , Ltd. , Shenzhen 518000, China
^2.South China Company, China Oil & Gas Pipeline Network Corporation Co. , Ltd. , Guangzhou 510000, China
^3.Research Institute of Ultra-precision Optoelectronic Instrument Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China
^4.Key Lab of Ultra-precision Intelligent Instrumentation of the Ministry of Industry and Information Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China

全文: PDF(4080 KB) HTML

摘要：

风电叶片是风力发电机的核心部件，叶片螺栓不仅是承受复杂应力的零件，也是承受最高负载的零件。为避免螺栓断裂造成危险隐患和经济损失，设计了一种基于超声导波的在役螺栓轴向应力测量系统，可实现对多种型号螺栓轴向应力的精确测量。首先，通过数值计算得到超声导波群速度频散曲线，基于胡克定律和声弹性效应建立了螺栓轴向应力与超声导波声时的线性数学模型，并在COMSOL软件中通过仿真验证了单纵波换能器实现超声导波应力测量的有效性。然后，针对超声导波回波信号模态混叠以及实际测量中噪声对超声导波声时测量结果的干扰，利用基于回波补偿的降噪算法实现了对实际测量信号的降噪处理，并采用经验小波变换算法对超声导波回波信号进行了模态分解，利用互相关法得到超声导波模态的精确声时。最后，通过实验测试完成了18种型号的螺栓在30%~90%屈服强度内的轴向应力的精确测量，相对测量误差小于2%。研究结果有助于改进螺栓装配工艺以及规范工人操作流程。

关键词： 叶片螺栓; 轴向应力测量; 超声导波; 频散曲线; 经验小波变换

Abstract:

Wind turbine blade is the core component of wind turbines. The blade bolt is not only the part that bears complex stress, but also the part that bears the highest load. In order to avoid potential hazard and economic loss caused by bolt breakage, an axial stress measurement system for in-service bolts based on ultrasonic guided waves is designed, which can achieve accurate measurement of axial stress for various types of bolts. Firstly, the group velocity dispersion curve of ultrasonic guided wave was obtained through numerical calculation, and a linear mathematical model of bolt axial stress and ultrasonic guided wave acoustic time was established based on the Hooke's law and acoustic elasticity effect. The effectiveness of ultrasonic guided wave stress measurement by single longitudinal wave transducer was verified by simulation in COMSOL software. Then, in view of the modal aliasing of ultrasonic guided wave echo signals and the interference of noise on the measured results of ultrasonic guided wave acoustic time in actual measurement, the denoising algorithm based on echo compensation was used to denoise the actual measurement signal. The empirical wavelet transform algorithm was used to decompose the modal of ultrasonic guided wave echo signal, and the cross-correlation method was used to obtain the accurate acoustic time of ultrasonic guided wave modal. Finally, the precise measurement of axial stress for 18 types of bolts within the 30%-90% yield strength was completed through experimental tests, and the relative measurement error was less than 2%. The research results are helpful to improve the bolt assembly process and standardize the worker's operation process.

Key words: blade bolt axial stress measurement ultrasonic guided wave dispersion curve empirical wavelet transform

收稿日期: 2023-07-14 出版日期: 2024-06-27

CLC:

TH 73

基金资助: 国家重点研发计划资助项目(2022YFB3403904)

通讯作者: 赵勃 E-mail: 271674266@qq.com;hitzhaobo@hit.edu.cn

作者简介: 杨　宇（1991—），男，河南南阳人，工程师，学士，从事电子信息研究，E-mail: 271674266@qq.com

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杨宇,杨昌群,赵勃. 基于超声导波的螺栓轴向应力测量方法[J]. 工程设计学报, 2024, 31(3): 280-291.

Yu YANG,Changqun YANG,Bo ZHAO. Measurement method of bolt axial stress based on ultrasonic guided waves[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2024, 31(3): 280-291.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.188 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2024/V31/I3/280

图1 螺栓简化模型

表1 合金钢材料性能参数

图2 螺栓的超声导波应力测量仿真模型

图3 超声导波回波波形

图4 不同轴向应力下的超声导波回波仿真结果

图5 超声导波回波信号的降噪处理流程

图6 降噪处理前后超声导波回波信号对比

图7 降噪处理前后超声导波回波信号的时频分析结果对比

图8 小波滤波器的频谱图

图9 超声导波回波仿真信号

图10 基于EWT的超声导波回波仿真信号模态分解结果

图11 基于EWT的超声导波回波仿真信号模态分量的频谱图

图12 基于EMD的超声导波回波仿真信号模态分解结果

图13 基于EMD的超声导波回波仿真信号模态分量的频谱图

图14 部分螺栓的实物图

图15 超声导波回波实验信号（M36×385螺栓）

图16 基于EWT的超声导波回波实验信号的模态分解结果（M36×385螺栓）

图17 基于EWT的超声导波回波实验信号模态分量的频谱图（M36×385螺栓）

表2 M36×385螺栓的标定实验结果

图18 M36×385螺栓轴向应力与超声导波回波信号声时差的拟合曲线

表3 M36×385螺栓的轴向应力测量结果

图19 18种型号螺栓轴向应力的相对测量误差

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