声弹效应测量螺栓轴向应力的有限元计算分析

为促进超声技术在定量评价螺栓拧紧状态中的有效应用,结合实际检测需求,对基于声弹效应的螺栓轴向应力测量方法构建了合适的有限元模型.使用二维轴对称方式模拟M8×25的螺栓,螺栓头部安放10 MHz的超声波探头;有限元计算时,采用具有默纳汉三阶弹性常数的超弹性材料,将结构场与声场进行耦合分析,通过前后两个研究步骤,确定出螺栓在轴向拉伸状态下的超声波形信号;有限元计算结果表征了声传播时间差(ns)、轴向载荷(MPa)间的线性关系,此线性关系随螺栓夹紧长度、螺栓材料的不同而相应地改变;计算表明,对基于声弹效应的轴向应力测量方法而言,线性系数的准确测定非常重要;对有限元计算结果进行深入分析,可知螺栓内部应力状态对于超声传播声时变化存在叠加影响;因螺栓夹紧长度不同会引起声弹效应的较大变化,在实际测量时应对此足够重视.有限元计算结果与解析计算结果、实际试验测试结果对比,结果吻合性良好;所建立的超声法测量螺栓轴向应力的有限元模型,解决了对声弹效应进行数值模拟分析的难题,可为检测方法分析、专用仪器研发提供技术指导.