專利名稱：使彎曲對受力構(gòu)件超聲測量的影響最小化的制作方法
一般而言，本發(fā)明涉及裝配和檢驗過程中緊固件的受力測量和控制，更明確地，涉及一個緊固件的設(shè)計和優(yōu)化這種設(shè)計的方法，以減小非對稱(非拉力的或“彎曲的”)應(yīng)力對超聲拉力測量的可靠性和準確度的影響。
有許多用超聲波測量受力構(gòu)件(例如緊固件)所受拉力的方法和技術(shù)。特別是，采用超聲技術(shù)可以在安裝過程中或以后為了檢修而對一個緊固件(例如螺栓)中的拉力進行準確測量。這些技術(shù)已為現(xiàn)有的手段所證明。另外，還有一些技術(shù)經(jīng)過確證，它們利用超聲波對緊固件和其它受力構(gòu)件進行探傷或其它無損鑒定。這些技術(shù)的成功有賴于對從所測元件內(nèi)部發(fā)出的回波信號的可靠檢測。
有一些專利介紹了采用脈沖回波技術(shù)來測量受力構(gòu)件中的應(yīng)力。美國專利No.4,294,122(頒發(fā)給Couchman)公開了一種在頭部或螺紋端裝有聲波換能器的緊固件。聲波換能器用來獲得對緊固件的預應(yīng)力測量并提供改進質(zhì)量的控制檢驗。一個包含著與換能器相連的彈簧承載電接插件的電動扳手與一個脈沖回波測量系統(tǒng)連在一起?！?22專利還公開了一種測量預應(yīng)力的脈沖回波技術(shù)。所述方法包括測量兩路回波通過緊固件長度的時間，一路是在加預應(yīng)力前，另一路作為扭矩加在緊固件上。然后，如果已知材料常數(shù)M，夾緊長度δ，直徑D，對緊固件中的應(yīng)力分布進行修正的經(jīng)驗常數(shù)α和回波傳播時間的時間差ΔT，那么應(yīng)力S就可以測量，緊固件預應(yīng)力的準確測量值通過下式得到S=(M/(δ+αD))×ΔT.
另一個公開了脈沖回波測量技術(shù)專利的是美國專利No.4,471,657(頒發(fā)給Voris等人)?！?57專利公開了一種測量受拉構(gòu)件的長度和應(yīng)力的裝置和方法。所述方法包括測量兩路同頻但有一個預設(shè)的相位差的信號通過一個受力構(gòu)件的長度所需的時間；測定傳播時間較長的一路；對相位差進行補償；然后用智能處理和控制裝置接收時間間隔數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理，得到緊固件長度變化或受力構(gòu)件上所加應(yīng)力的準確換算值。所述裝置包括一個永久或臨時和受力構(gòu)件連接的超聲換能器。
美國專利No.4.602,511(頒發(fā)給Holt)介紹了一種同時利用縱波和橫波的行程時間來確定受力構(gòu)件中的應(yīng)力的方法。’511專利不需要對受力構(gòu)件在零應(yīng)力情況下進行超聲測量。而且，Holt給出了一個與緊固件長度無關(guān)的計算應(yīng)力的公式，這樣，就可以對一個已經(jīng)受拉的緊固件的受拉應(yīng)力進行計算。優(yōu)選的實施例中通過檢測相位來測量行程時間。發(fā)射約20-100個5-10MHz的信號，將發(fā)射信號和反射信號相加，將頻率調(diào)諧至相位差為180°的相消干涉或相位差為零。Holt還提到，以前公開的行程時間測量技術(shù)可以作為替換。
美國專利No.3,918,294(頒發(fā)給Makino等人)介紹了一種測量螺栓中的軸向應(yīng)力的方法。在螺栓上加上超聲波產(chǎn)生受激振蕩然后對螺栓中的兩個不同的固有頻率進行測量，其中一個在螺栓受到很小的或沒有軸向力的情況下進行測量，另一個則是在螺栓受到軸向應(yīng)力時測量。得到第一和第二頻率之間的變化比或差值后，與對應(yīng)所述變化比或差值的軸向應(yīng)力標定數(shù)據(jù)進行比較。
超聲受力測量是確定螺栓連接中受力的精密測量技術(shù)。帶有活動超聲換能器的脈沖回波技術(shù)已經(jīng)在實驗室和質(zhì)量控制中使用了三十多年。然而，歷史上由于在獲得可靠的聲波耦合以及在緊固工具中安裝換能器方面的實際困難使得這種技術(shù)沒能成為通用的裝配固定方案。美國專利No.4,846,001(頒發(fā)給Kibblewhite)介紹了壓電聚合物薄膜的使用，其與一個構(gòu)件的上表面有永久的機械和聲連接，并通過超聲技術(shù)用它來確定構(gòu)件的長度、所受拉力、應(yīng)力或其他與所受拉力有關(guān)的特性。盡管這個發(fā)明在性能、簡化生產(chǎn)和生產(chǎn)成本方面代表了相對于現(xiàn)有技術(shù)的重大進步，這種結(jié)構(gòu)中的換能器有一些缺點。這些缺點與環(huán)境性能有關(guān)，尤其是聚合物材料的最大溫度極限限制了它的應(yīng)用，而且用膠固定在緊固件上的換能器有可能松脫，導致一個關(guān)鍵裝置出現(xiàn)故障或造成損害。
這些缺點在Ultrafast(超快速)公司開發(fā)的固定換能器技術(shù)中得到了克服，特別地，所述技術(shù)在授予Kibblewhite并轉(zhuǎn)讓給Ultrafast公司的美國專利No.5,131,276中得到了公開?！?76專利介紹了一種帶有超聲換能器的受力指示構(gòu)件，它包括一個直接在緊固件表面形成的聲電薄膜。通過在緊固件上直接形成聲電薄膜，使得所述薄膜與表面實現(xiàn)機械連接并且既能導電又能傳聲。這一進步不僅使精確脈沖回波受力測量技術(shù)可以用于生產(chǎn)裝配并且通過消除由活動換能器相對于螺栓的軸向和徑向移動以及耦合介質(zhì)的變化而引起的誤差顯著提高了準確度。
這些誤差消除以后，超聲受力測量中不準確度的最大來源就是彎曲。螺栓中的彎曲應(yīng)力可由下述原因之一或二者引起(1)在制造過程中由于成形或熱處理而有一點彎曲的螺栓在擰緊時被“拉直”了，以及(2)在所連接的支承面不平行的連接中擰緊螺栓。當超聲波或超聲波束穿過一個緊固件或其它受力構(gòu)件時，如果存在相對于傳播軸不對稱的應(yīng)力，波束的方向?qū)⒂捎趲缀纹钜约安牧蠎?yīng)力對聲速的影響而改變。在這種情況下，接收到的超聲回波的幅值、相位和行程時間都可能改變，基于這些量的測量將受到不利的影響。因此，現(xiàn)有技術(shù)的方法和裝置在可靠性和準確度方面容易受到擰緊和其它正常操作在緊固件中產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力的影響。
美國專利No.5,029,480(頒發(fā)給Kibblewhite)公開了一種受力指示構(gòu)件(例如，一個緊固件)，其桿部的表面至少有一道凹槽。將一個超聲換能器(優(yōu)選地為壓電薄膜換能器)裝在受力指示構(gòu)件上，使一束超聲波對準凹槽。這樣，凹槽作為人造的反射器，可以提供一個反射面，把由換能器產(chǎn)生的超聲波反射回換能器。螺栓頭部的表面可以做成一定形狀使得超聲信號能指向這個人造反射器。
盡管現(xiàn)有技術(shù)論述了采用輻射式的或聚焦式的表面將聲波束指向特定的反射表面(象人造反射器這種情況)，卻沒有考慮采用末端或頭部的幾何形狀來修正緊固件彎曲對接收到的回波的影響。美國專利No.4,569,229(頒發(fā)給de Halleux)介紹了一種測量受力構(gòu)件應(yīng)力的方法，它不需要對夾緊長度進行校準。所述方法測量回波從受力構(gòu)件的頭部傳播到人造反射器并返回所需的時間。人造反射器在受力構(gòu)件上形成軸向的、徑向的、或軸向和徑向都有的鉆孔或穿孔。在螺栓內(nèi)的傳播時間與螺栓內(nèi)的應(yīng)力有關(guān)。
為了克服現(xiàn)有的緊固件設(shè)計中的缺陷(尤其是就彎曲而言)，提供了一種新的緊固件設(shè)計。同時還提供了一種確定所述設(shè)計的方法。本發(fā)明的中心目的是提供一種通過減小幾何形狀變化以及構(gòu)件內(nèi)非對稱應(yīng)力的影響來實現(xiàn)對受力構(gòu)件的更準確更可靠的超聲測量。
為了實現(xiàn)這些和其它目的，并考慮到其用途，本發(fā)明提供一種受力指示裝置，它包括一個在受力時易變形的受力構(gòu)件。在受力構(gòu)件的一端引入超聲波然后用超聲波發(fā)射接收裝置在同一端接收超聲回波。在一個實施例中，在受力構(gòu)件的頭部或另一端放置換能器，超聲波在受力構(gòu)件內(nèi)穿過。將構(gòu)件的頭部，末端，桿部或者它們的組合的某一部分做成特定形狀或輪廓以降低幾何形狀變化和受力構(gòu)件內(nèi)的非對稱應(yīng)力對超聲測量的影響。在一個實施例中，受力構(gòu)件的一端或兩端做成近似球形。在另一個實施例中，在緊固件的桿部做一個或多個圓環(huán)以構(gòu)成反射器，將超聲回波反射到緊固件頭部的錐形槽中。
另外，圍繞著一個模型，給出了確定和設(shè)計受力構(gòu)件的表面輪廓的優(yōu)選幾何形狀的方法。同時還提供了一種制作受力構(gòu)件的方法，它至少有一端要經(jīng)過造形以降低幾何形狀變化和受力構(gòu)件內(nèi)的非對稱應(yīng)力對超聲測量的影響。
當然前面的一般性介紹和后面的詳細敘述都是示范性的，本發(fā)明并不局限于這些內(nèi)容。
結(jié)合附圖閱讀后面的詳細介紹將有助于理解本發(fā)明，其中

圖1是一個典型的帶螺紋的緊固件，具有近似平面的頭部端(頭部)和平的螺紋端面(末端)；圖2示出了圖1所示的緊固件在沒有彎曲的情況下其內(nèi)部超聲波的路徑；圖3示出了圖1所示的緊固件在彎曲的情況下其內(nèi)部超聲波的路徑；圖4給出了一個由于被連接表面不平行而彎曲的螺栓；圖5示出了在只受到拉力的情況下螺栓中的拉伸和壓縮應(yīng)力線(以及在連接中的主壓縮應(yīng)力線)；圖6給出了螺栓中的拉力的幅值，采用了在螺栓計算中經(jīng)常使用的簡化視圖；圖7示出了沿與螺栓的軸線平行的四條線上的拉伸應(yīng)力；圖8示出了一個采用柱形單元來代表緊固件各個主要部分的緊固件模型；圖9示意了彎曲對例如用作螺栓桿部模型的柱形單元的影響；圖9A是在鋼中的聲波的行程時間變化率(Δt/t)相對于變形率E(Δl/l)的曲線，示出了聲速變化(Δv/v)和變形化(Δl/l)的貢獻；圖10示出了由反射半徑，RREF和零變化行程時間半徑，RZDT(“零ΔT”)確定的緊固件的末端表面輪廓；圖11是一個變形的螺栓，用來說明彎曲時的線偏移和角偏移；圖12A給出了由超聲方法確定的受力的誤差(％)作為螺栓末端球形輪廓半徑(mm)的函數(shù)的曲線并給出了采用Ultrafast公司的頭部球形輪廓半徑為76mm的螺栓，元件代號6108891300(M10×1.5×70)所進行的彎曲準確度測試得到的數(shù)據(jù)；圖12B是第一縱向回波L1，和第二縱向回波L2的幅值衰減(％)作為螺栓末端球形輪廓半徑(mm)的函數(shù)的曲線并給出了采用Ultrafast公司的頭部球形輪廓半徑為76mm的螺栓，元件代號6108891300(M10×1.5×70)所進行的彎曲準確度測試得到的數(shù)據(jù)；圖12C是第一橫向回波T1，和第二橫向回波T2的幅值衰減(％)作為螺栓末端球形輪廓半徑(mm)的函數(shù)的曲線并給出了采用Ultrafast公司的頭部球形輪廓半徑為76mm的螺栓，元件代號6108891300(M10×1.5×70)所進行的彎曲準確度測試得到的數(shù)據(jù)；圖12D是回波幅值比L2/L1和T2/T1(％)作為螺栓末端球形輪廓半徑(mm)的函數(shù)的曲線并給出了采用Ultrafast公司的頭部球形輪廓半徑為76mm的螺栓，元件代號6108891300(M10×1.5×70)所進行的彎曲準確度測試得到的數(shù)據(jù)；圖12E是L1回波幅值衰減(％)作為螺栓所受彎曲力矩(Nm)的函數(shù)的曲線并給出了采用Ultrafast公司的頭部球形輪廓半徑為76mm的螺栓，元件代號6108891300(M10×1.5×70)所進行的彎曲準確度測試得到的數(shù)據(jù)；圖12F是T1回波幅值衰減(％)作為螺栓所受彎曲力矩(Nm)的函數(shù)的曲線并給出了采用Ultrafast公司的頭部球形輪廓半徑為76mm的螺栓，元件代號6108891300(M10×1.5×70)所進行的彎曲準確度測試得到的數(shù)據(jù)；圖13A和13B示出了一個根據(jù)本發(fā)明的緊固件設(shè)計的優(yōu)選實施例，其中緊固件的球形頭部半徑(RH)和球形末端半徑(RE)之和等于緊固件的長度，緊固件的頭部可以沒有換能器(圖13A)或者永久固定一個換能器(圖13B)；
圖13C示出了另一個根據(jù)本發(fā)明的緊固件設(shè)計的實施例，具有球形頭部半徑(RH)和球形末端半徑(RE)以及一個內(nèi)緊固的頭部；圖13D示出了一個根據(jù)本發(fā)明的緊固件設(shè)計的實施例，緊固件的斜切或尖頭末端的一部分之上具有球形末端半徑(RE)，它的頭部是平的，具有可活動的或固定的換能器；圖14給出了在緊固件沒有彎曲的情況下，一個可供選擇的根據(jù)本發(fā)明的緊固件設(shè)計的實施例，其中緊固件的末端有一個90°的錐形尖角；圖15示出了圖14所示的緊固件在彎曲情況下的情形；圖16給出了另一個可供選擇的根據(jù)本發(fā)明的緊固件設(shè)計的實施例，其中緊固件的頭部和末端有兩種可能的表面輪廓；圖17是一個普通(現(xiàn)有技術(shù))的緊固件，具有人造超聲波反射器和一個旨在使聲波指向反射器的頭部表面；圖18給出了另一個可供選擇的根據(jù)本發(fā)明的緊固件設(shè)計的實施例，其中緊固件具有一定形狀的人造超聲波反射器和緊固件桿部，以及緊固件頭部的錐形槽。
在采用由Ultrafast公司開發(fā)的并專門在所述‘276專利中公開的永久換能器技術(shù)之前，一個緊固件(例如螺栓)只是為了夾緊的功能來設(shè)計的。然而，一個帶有在緊固件上直接形成的聲電薄膜的受力指示構(gòu)件，使得所述構(gòu)件不僅可以作為夾緊裝置還可以用做受力傳感器。通過在設(shè)計上稍做改動，就可以在不影響緊固件的夾緊功能和生產(chǎn)成本的前提下，在導致緊固件產(chǎn)生嚴重的彎曲應(yīng)力的不利應(yīng)用條件下，有可能顯著提高受力測量的準確度。
下面緊接著給出彎曲應(yīng)力對超聲受力測量的影響的分析。之后，介紹了本發(fā)明的研究對象一個用來優(yōu)化緊固件件端幾何形狀的模型。彎曲試驗表明根據(jù)本發(fā)明模型確定的緊固件設(shè)計可以顯著改進彎曲情況下的受力測量性能，連接中2°的彎曲引起的滿量程受力誤差小于2％。
螺栓彎曲螺栓的生產(chǎn)參數(shù)通常允許螺栓頭部下方和桿部之間有最大1°的垂直度誤差，但實際上，除非是較長的螺栓，典型情況下為0.2°到0.5°。螺栓彎曲最嚴重的情況通常在未經(jīng)機械加工的澆鑄連接支承表面上發(fā)生?，F(xiàn)有技術(shù)在可靠性和準確度方面對緊固件中由緊固和正常操作產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力比較敏感?，F(xiàn)有技術(shù)沒有給出任何方法，能夠在存在非對稱(彎曲)應(yīng)力的情況下保持接收到的來自緊固件內(nèi)部的超聲回波幅值和相位的完整性。
圖1所示的典型的緊固件10具有平的頭部12，平的末端14和中間桿部13。桿部13的整個或部分長度上可以有螺紋15。緊固件10可以是，例如象螺栓，螺樁或鉚釘?shù)鹊氖芰?gòu)件。用于超聲受力測量技術(shù)的現(xiàn)有技術(shù)的緊固件設(shè)計中，由超聲換能器18產(chǎn)生的超聲波16從一個單反射面(例如，末端14)直接反射回超聲換能器18-如圖2所示。專業(yè)技術(shù)人員當然知道，超聲波可以在緊固件內(nèi)部傳播，而且可以采用任何常規(guī)的裝置，包括壓電和電磁換能器和激光器來接收超聲波，下面將給出更完整的介紹。給定一個平的平行反射面，由換能器18的一邊產(chǎn)生的波前部分將沿原路返回。在圖2中，所示的超聲波16與緊固件10的中心縱軸a平行。
圖3示出了緊固件10受到沿箭頭20方向的彎曲力的情形。彎曲力在緊固件10的左邊造成了一個受拉應(yīng)力減小的區(qū)域(用減號指示)，在緊固件10的右邊則造成了一個受拉應(yīng)力增大的區(qū)域(用加號指示)。當緊固件受到彎曲應(yīng)力作用時，非對稱的徑向應(yīng)力梯度使得超聲波前16的不同部分以不同的速度傳播。具體而言，在受拉應(yīng)力減小的區(qū)域超聲波16傳播更快，在受拉應(yīng)力增大的區(qū)域超聲波16傳播較慢。這樣當超聲波16被超聲換能器18接收時，將使傳播方向(相對于縱軸a)發(fā)生偏折(折射)并造成相位差。結(jié)果，通過超聲換能器18對緊固件10所受力的測量可能不準確。本發(fā)明的一個目的就是對超聲波16進行引導，使得偏折和相位差的影響變得最小，因之彎曲的影響也變得最小。
連接中的螺栓中產(chǎn)生彎曲應(yīng)力的主要原因是連接的支承面不平行或與螺紋孔的軸不垂直(見圖4，示出了連接彎曲角，γ)。為了進行實驗，可以通過在被測連接中采用有角度的墊片22在實驗室模擬這種情況。為了使螺栓受到有角度的墊片22的影響最大，連接支承面必須堅硬，使嵌入最少，并且連接，包括受力單元，必須是剛性的。(實驗是采用Ultrafast的認證試驗連接，包括一個具有特定高彎曲剛性的承重元件來進行的。)
一般而言，當一個螺栓緊固在一個支承面不平行的連接中時，螺栓頭部12(或螺母24，被緊固的那個)可以在徑向自由移動而沒有顯著的約束力。連接的間隙孔通常被專門用來適應(yīng)連接間隙的變化。另外，頭部12或螺母24的轉(zhuǎn)動使得支承面垂直于徑向約束摩擦力發(fā)生運動，這種運動基本上使摩擦力降為零。(這種現(xiàn)象與緊固件的振動松動的情形差不多一樣，G.Junker對此進行了詳細介紹，文章“緊固件在振動情況下自松動的新判據(jù)”共23頁，提交給1969年10月8日倫敦奧林匹亞的Unbrako學術(shù)討論會)。因此，為了進行分析，用有角度的墊片22來模擬的非平行連接支承面的影響，可以用一個處在連接支承面的單純彎曲力矩MB來近似，如圖4所示，兩個表面之間的螺栓桿部受到一個恒定的彎曲力矩。
螺栓模型由于超聲波16被換能器18接收到的部分主要是在緊固件10的中心區(qū)域向下傳播的，所以集中在頭部12下方表面或螺紋15內(nèi)附近的局部應(yīng)力對接收到的超聲波只有很小的影響。圖5,6，和7給出了典型的螺栓應(yīng)力分布，這些圖分別從J.Bickford的文章“螺栓連接的設(shè)計和特性介紹”(Marcel Dekker公司，紐約，1990)的15,16和17頁復印下來的。
在彎曲(即應(yīng)力和偏折)情況下影響緊固件性能的關(guān)鍵參數(shù)是螺栓桿部各個部分的直徑(d)和長度(l)。因此采用一個包括柱形單元(見圖8)的緊固件10的簡化模型來進行分析，對這個模型既可以進行解析分析又可以進行有限元分析。所述模型的主要缺陷是無法處理桿部13中穿過螺母和頭部的應(yīng)力減小。為了補償這一影響，應(yīng)力作用下的螺栓的等效長度為連接長度加上螺栓直徑的幾分之一“p”(典型值為0.3到0.6)。這種方法在使用超聲螺栓應(yīng)變儀來估算螺栓等效應(yīng)力長度時經(jīng)常采用。
對超聲波測量的影響彎曲在五個方面對超聲脈沖回波行程時間測量產(chǎn)生影響(ⅰ)由螺栓形變引起的物理路徑長度改變；(ⅱ)由螺栓末端反射平面的角偏移引起的超聲波方向改變；(ⅲ)由應(yīng)力梯度引起的超聲波的折射；(ⅳ)由于存在彎曲使得超聲波在有附加應(yīng)力的區(qū)域傳播時聲速發(fā)生改變；和(ⅴ)由換能器接收的波前的斜入射引起的相位影響。
螺栓形變當緊固件10受到一個彎曲力矩MB的作用時，其軸向應(yīng)力為從桿部13一側(cè)的壓縮應(yīng)力線性變化為另一側(cè)的拉伸應(yīng)力加上由緊固引起的拉伸應(yīng)力(見圖9)。緊固件10的每個柱形部分彎曲成一個半徑為RB的圓弧，其中RB=EI/MBE是彈性模量，I是動量慣量，對一個圓柱桿部I=7πD4/64，式中D是柱形部分的直徑。
由彎曲引起的最大附加纖維強度σB為σB=MD/2I=ED/2RB橫穿螺栓的應(yīng)力變化Δσ是2σB，所以，Δσ=ED/RB或 RB=ED/Δσ。
這個柱形單元的端面具有線偏移yB，為yB=MBl2/2EI式中l(wèi)是柱形部分的長度。
不考慮應(yīng)力對超聲波傳播的影響，這將導致物理路徑長度增加Δx，為Δx=yBtanθB式中θB是所述部分末端的角偏移。
超聲波方向改變柱形部分端面的角偏移θB可由下式給出θB=MBl/EI這個角偏移對緊固件10末端14的反射面的總偏轉(zhuǎn)角有貢獻，如果是一個平的末端，將使超聲波16的方向偏離換能器18。
超聲波的折射現(xiàn)有的分析中還沒有考慮固桿部中的應(yīng)力梯度對超聲波傳播的影響。但是，用幾何聲學對氣桿部壓力梯度和水的壓力梯度對聲波傳播的影響進行了分析，例如，參見A.Pierce“聲學的物理原理和應(yīng)用初步”，371到388頁(McGraw-Hill公司，Woodbury，紐約，1989年版)。由于聲速在緊固件材料中隨應(yīng)力線性變化，所以這兩種情況與彎曲螺栓中的線性應(yīng)力梯度是可以類比的。
當超聲波入射到具有應(yīng)力梯度的區(qū)域時，聲波將向較低聲速一邊(較高拉伸應(yīng)力一邊)偏折，聲波路徑的曲率半徑RR(圖9)為RR=v/︱v︱式中v是聲速或者RR=v/(Δv/D)=vD/Δv式中Δv是聲速沿螺栓直徑D的變化。比值RB/RR=Δv/vD·ED/Δσ=E/v·Δv/Δσ由于應(yīng)力=E×應(yīng)變，應(yīng)力沿螺栓直徑的變化量等于E與沿螺栓直徑的應(yīng)變變化量的乘積，或者，Δσ=E·Δl/l，于是RB/RR=Δv/v·l/Δl由于Δt/t=Δv/v+Δl/l式中t是行程時間，Δt是聲波行程時間的變化(如圖9A所示)，比值RB/RR等于由聲速改變引起的聲波行程時間的相對變化，除以由于伸長或變形而引起的行程時間的相對變化。對于M16×150,8.8級的鋼螺栓，縱向超聲波的RB/RR比值約為2.2。
總之，當螺栓受到彎曲力矩作用時，聲波向與螺栓彎曲方向相反的方向偏折。聲波路徑的彎曲比螺栓的彎曲更厲害，因數(shù)為2.2。由于聲線路徑的角度和偏折較小，所以可以認為它們近似等于螺栓彎曲引起的角度和偏折的-2.2倍(即向相反方向的2.2倍)。
聲速的變化在螺栓的中性軸處，沒有由螺栓所受力矩引起的附加應(yīng)力。離中性軸越遠，由彎曲引起的正應(yīng)力或負應(yīng)力越大-如圖9所示。在彎曲情況下，中心聲波路徑離開中性軸偏向應(yīng)力較高的區(qū)域，即聲速較低的區(qū)域。因此，彎曲有通過降低聲波的平均速度來增加行程時間的效果。
相位影響在彎曲情況下聲波的折射和方向改變使得換能器18接收到的波前入射角是一個斜角，而不是90°。這一效應(yīng)的后果是穿過換能器18的相位差以及回波幅值的減小，從而妨礙可靠的行程時間測量。而且，在更極端的情形，幅值有可能過零，使得脈沖回波測量系統(tǒng)發(fā)生“周期跳變”(即開始測量接收波形的另一個周期)。所謂“過零”是指超聲波的幅值由于超聲波形相位的相消效應(yīng)而衰減到零。
模型和預測理想情況下，一個模型應(yīng)能夠確定緊固件兩端的表面形狀，當緊固件受到彎曲作用時，這兩端將(1)在沒有任何相位誤差和回波幅值衰減的情況下將聲波反射回換能器；(2)對由脈沖回波行程時間測量計算得到的受力不引入任何誤差。不幸的是，這種理想情況是不可能的，因為在彎曲情況下能將聲波以最佳方式反射回換能器的形狀與在彎曲情況下能不引起行程時間變化的形狀可能不一樣。但二者是類似的，本模型的目的是對兩種形狀進行預測并確定一個最佳的折衷方案。
兩種形狀都可以近似為球形表面。由于固有的線性(應(yīng)力/應(yīng)變，彎曲力矩/偏折，應(yīng)力/聲速)，這些表面基本上與彎曲的程度無關(guān)。因而，對于特定的螺栓和連接，所述模型可確定兩個球形端面輪廓的半徑(1)RREF，將聲波沿原路直接反射回換能器的表面輪廓的半徑；(2)RZDT，使行程時間變化為零，即超聲受力測量誤差為零的表面輪廓的半徑(圖10)。
在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，確定受力構(gòu)件表面輪廓的方法包括，首先計算受力構(gòu)件在非對稱應(yīng)力作用下受力構(gòu)件第二端相對于所述的第一端的偏斜。然后，確定受力構(gòu)件在非對稱應(yīng)力作用下所述的聲波從第一端傳播到第二端的入射線路徑。接著，將所述表面輪廓確定為受力構(gòu)件在非對稱應(yīng)力作用下將聲波反射回超聲回波接收裝置的表面。
在根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例中，確定受力構(gòu)件表面輪廓的方法包括，首先計算受力構(gòu)件在非對稱應(yīng)力作用下受力構(gòu)件第二端相對于所述第一端的偏斜。然后，確定受力構(gòu)件在非對稱應(yīng)力作用下所述聲波從第一端傳播到第二端的入射線路徑。接著，計算偏折的聲波的行程時間的變化。最后，確定一個表面輪廓，使得聲波的行程時間變化最小。以上步驟在受力構(gòu)件受到非對稱應(yīng)力時進行。
應(yīng)注意，雖然所述輪廓可以近似為球形，它也可以取其它形狀。例如，輪廓可以近似為拋物線，橢圓形，或任何其它形狀，只要它能將超聲回波反射回換能器并且在超聲受力測量中引入最小的誤差或沒有誤差。
根據(jù)本發(fā)明的模型只考慮了彎曲對聲波中心線路徑的影響。當然，由離中性軸的距離的影響而引起的波前橫截面上的變化會帶來其它一些誤差。預計這些誤差對行程時間的影響在一定程度上相互抵消；由這些變化導致的模型和實際情況之間的主要差別是由相位效應(yīng)引起的幅值衰減的程度。另外，因為只對中心線路徑進行了分析，在所述模型中對螺栓頭部的表面輪廓沒有進行任何假設(shè)。本發(fā)明的模型所基于的線路徑分析沒有考慮聲波的衍射。
所述模型最初在計算機電子表格上實現(xiàn)。以下是所述算法的概述。
對每一個連續(xù)的柱形部分(n)1．橫截面面積(An)；2．動量慣量(In)；3．在彎曲力矩M作用下部分n貢獻的角偏移(θBn)；4．在彎曲力矩M作用下部分n貢獻的線偏移(yBn)；5．中性軸在部分n的平均偏移(平均值yB)，包括相對于前一部分的偏移；6．在彎曲力矩M作用下部分n的最大應(yīng)力(σBn)；以及7．在部分n，由應(yīng)力梯度，零應(yīng)力聲速和應(yīng)力作用下的聲速變化計算得到的沿折射的聲波中心線路徑的平均聲速。
對整個緊固件1．在彎曲力矩M作用下，反射端面的總角偏移(θB)(M調(diào)整到使總角偏移為1.0°)；2．總線偏移(yB)；3．聲波中心線路徑長度(P)，考慮到端面的曲率半徑和偏移；4．聲波中心線整個路徑長度的平均聲速(平均值v)；5．由平端面引起的行程時間誤差(ΔTOF)；6．將行程時間誤差減小到零所要求的幾何路徑長度的減小量(Δx)；7．反射半徑(RREF)，即與入射的聲波線路徑垂直的表面輪廓的半徑，其由聲波相對于中性軸的線偏移和角偏移確定，近似等于YB/tan(θB)，式中YB和θB如上面所確定；以及8．行程時間零變化半徑(RZDT)，即，使行程時間變化為零，并由此使彎曲情況下的超聲受力測量誤差為零的表面輪廓的半徑，其由行程時間零變化下的緊固件長度和相對于中性軸的線偏移確定，近似等于((RB/RR+1)2YB2-ΔX2)/2ΔX，式中RB,RR和ΔX如上面所確定的。
然后，計算得到RRBF和RZDT之后，對緊固件的一端或兩端的至少一個部分進行造形。輪廓的曲率半徑取RREF或RZDT，視螺栓和超聲信號的具桿部特性而定。一個具有曲率半徑RREF的輪廓可能在行程時間測量中帶來一些誤差。但是，這種輪廓一般情況下對超聲波幅值沒有衰減，而是將信號直接反射回換能器。相反地，具有曲率半徑RZDT的輪廓通常在行程時間測量中不產(chǎn)生誤差，但是會造成超聲信號幅值的衰減。
因此，對超聲波在其中傳播時信號幅值衰減很小的緊固件或當要求進行零誤差行程時間測量時，一般在緊固件的一端或兩端選用曲率半徑為RZDT的輪廓。這樣，就可獲得誤差為零的行程時間測量。然而，對超聲波在其中傳播時信號幅值衰減很大的緊固件，一般在緊固件的一端或兩端選用曲率半徑為RREF的輪廓。這樣，盡管在超聲受力測量中可能會出現(xiàn)一些小的誤差，但可以確保有超聲信號反射回換能器。
在任何情況下，在緊固件至少一端的至少一個部分采用曲率半徑為RREF或RZDT的輪廓，將有助于實現(xiàn)既準確又可靠的超聲受力測量。
在某些情況下，選用取值在RREF和RZDT之間的曲率半徑的折衷方案可能比較有利。與平端面情形相比，選用這個范圍內(nèi)的半徑可以同時保證改善幅值和TOF測量的準確度的可靠性。表1給出了以mm為單位的RREF和RZDT的取值及占所測試的緊固件長度的百分比。典型情況下，RREF為緊固件長度的50％+10％，而RZDT為緊固件長度的40％+10％。緊固件的總長度等于緊固件桿部長度加上緊固件頭部的長度。在表1中，例如，元件代號1026(M8×1.25×50,10.9級)是一個米制(M)的螺栓，桿部直徑為8mm，螺距1.25mm，桿部長度50mm，鋼的等級為10.9。所述螺栓頭部的長度為5mm，所以螺栓的總長度為55mm(50mm+5mm)。反射半徑百分比(％)和行程時間零變化半徑的百分比(％)是用螺栓的總長度即頭部長度加上桿部長度來計算的。
表1
模型預測的實驗驗證為了驗證緊固件在被固定在具有非平行支承表面的連接中時確實如所預測的那樣，對許多螺栓(Ultrafast公司，元件代號6108891300；M10×70×1.5)進行了改造，以包括測量參考表面(圖11中的表面”A”、”B”和”C”)，并用具有1°或2°角度的墊片固定在連接內(nèi)。在螺栓的末端對線偏移和角偏移進行了測量。以下是對結(jié)果進行分析后得到的結(jié)論1．測到的偏移量與預測的幾乎一致。由偏移測量值計算得到的彎曲半徑在38mm到45mm之間變化。對這種螺栓和連接模型的預測值為40mm。這點證實了在固定在非平行連接支承面時螺栓沿徑向自由移動的假設(shè)，同時也說明了模型的準確度。
2．采用常規(guī)的螺母和硬連接，螺栓感受到的角度一般只有由螺紋空隙和形變引入連接的角度的50％。
3．為了使螺栓產(chǎn)生1°的彎曲，大約需要極限扭矩的30％。這與模型對螺栓的預測結(jié)果一致。
與Ultrafast螺栓元件代號6108891300(M10×1.5×70)一樣的緊固件經(jīng)模型預測給出RREF為40mm,RZDT為32mm。對頭部半徑為76mm(100％螺栓長度)的螺栓進行加工，末端半徑分別為30mm,34mm,38mm,42mm和46mm，彎曲準確度試驗采用的是角度為1°和2°的墊片。對這些試驗數(shù)據(jù)的分析總結(jié)成圖12A-12F中的曲線。圖12A-12F所示的所有試驗都是采用Ultrafast螺栓元件代號6108891300(M10×1.5×70)進行的。
圖12A給出了由超聲方法確定的受力的相對誤差(％)作為螺栓末端球形輪廓半徑(mm)的函數(shù)的曲線。如圖所示，當末端半徑為30mm和34mm時，螺栓在受到1°和2°的彎曲時，受力測量值的誤差小于2％。這樣，如模型所預測的，末端半徑為30mm和34mm的準確度是最高的(誤差小于2％)。采用這兩種設(shè)計中任意一種的螺栓在受到1°和2°的彎曲時都是合格的。末端半徑為38mm的螺栓，取預測的RREF值，在受到2°的彎曲時誤差大約為+5％。但是取這個半徑時，波形的畸變要小一些，這使得對一些螺栓更容易進行可靠的脈沖回波測量。
圖12B是在緊固件內(nèi)上下往返一次的縱向回波L1和在緊固件內(nèi)上下往返兩次的縱向回波L2的幅值衰減作為螺栓末端球形輪廓半徑(mm)的函數(shù)的曲線。當彎曲為1°時，對于末端球形輪廓半徑為30mm,34mm,38mm,42mm和46mm的螺栓，L1和L2具有中等程度的幅值衰減(L1從無彎曲時的100％到85-65％；L2從無彎曲時的100％到75-55％)。當彎曲為2°時，這些螺栓中L1和L2的幅值衰減百分比(％)更大一些(L1從無彎曲時的100％到45-35％；L2從無彎曲時的100％到60-45％)。應(yīng)注意到，在彎曲2°時L2的幅值衰減百分比比L1的幅值衰減百分比要小。而且，在每種情況下，末端球形輪廓半徑為34mm的螺栓具有最小的衰減百分比(％)。在任何情況下，由于沒有哪個螺栓接收到的回波的幅值接近于零，所以在彎曲為1°和2°時可以進行可靠而準確的受力測量。
圖12C是在緊固件內(nèi)上下往返一次的橫向回波T1和在緊固件內(nèi)上下往返兩次的橫向回波T2的幅值衰減作為螺栓末端球形輪廓半徑(mm)的函數(shù)的曲線。當彎曲為1°時，對于末端球形輪廓半徑為30mm，34mm,38mm,42mm,46mm的螺栓，T1和T2的幅值衰減百分比(％)較小(T1從無彎曲時的100％到約99％；T2從無彎曲時的100％到85％)。注意，當彎曲為1°時，末端球形輪廓半徑為34mm,38mm,42mm的螺栓中T1沒有幅值衰減。同樣地，當彎曲為1°時，末端球形輪廓半徑為42mm的螺栓中T2沒有幅值衰減。當彎曲為2°時，這些螺栓中T1和T2具有中等程度的幅值衰減(T1從無彎曲時的100％到95-60％；T2從無彎曲時的100％到85-30％)。當彎曲為2°時，幅值衰減百分比(％)一般隨螺栓末端曲率半徑的增加而減小。在任何情況下，由于沒有哪個螺栓接收到的回波的幅值接近于零，所以在彎曲為1°和2°時可以進行可靠而準確的受力測量。另外，T1和T2的衰減百分比(％)比L1和L2的衰減百分比(％)(如圖12B所示)小，說明橫波受彎曲的影響比縱波要小。
圖12D是回波幅值百分比(％)L2/L1和T2/T1作為螺栓末端球形輪廓半徑(mm)的函數(shù)的曲線。L2/L1或T2/T1接近于1說明與L1和T1回波的幅值相比，L2和T2回波的幅值衰減很小或沒有衰減，而比值接近于0.0則表明L2和T2衰減到零。如圖12D所示，對于末端半徑為30mm,34mm,38mm,42mm,46mm的螺栓，比值L2/L1和T2/T1的變化范圍分別為62-70％和35-52％。這表明L2和T2回波沒有衰減到零。
圖12E是L1回波幅值衰減百分比(％)作為螺栓所受彎曲力矩(Nm)的函數(shù)的曲線并給出了彎曲準確度測試得到的數(shù)據(jù)。如圖12E所示，對于末端球形輪廓半徑為30mm,34mm,38mm,42mm,46mm的螺栓，L1回波幅值從彎曲力矩為零時的100％衰減到彎曲力矩為40Nm時的約30-60％。這說明，L1的幅值沒有衰減到零，因此可以對彎曲情況下的緊固件進行準確而可靠的受力測量。
圖12F是T1回波幅值衰減(％)作為螺栓所受彎曲力矩(Nm)的函數(shù)的曲線并給出了彎曲準確度測試得到的數(shù)據(jù)。如圖12F所示，對于末端球形輪廓半徑為30mm,34mm,28mm,42mm,46mm的螺栓，T1回波幅值從彎曲力矩為零時的100％衰減到彎曲力矩為40Nm時的約83-99％。這又一次說明，可以對彎曲情況下的緊固件進行準確而可靠的受力測量，因為觀測到的幅值都沒有衰減到零。另外，如上所示，在彎曲情況下橫向信號的幅值衰減比縱向信號要小。
這些測試結(jié)果表明本發(fā)明的模型可以對緊固件的最佳末端幾何形狀進行預測而且準確度較高。所述模型只考慮了聲波中心線路徑，因此，其預測沒有考慮頭部(或換能器)的端面幾何形狀，而且也不受這些因素的影響。所有采用由所述模型給出的末端半徑的測試其頭部半徑都是螺栓長度的100％。忽略衍射效應(yīng)，這個半徑可將聲波束聚焦到端面。
端面幾何形狀如上面所討論的，當緊固件彎曲時接收到的回波的幅值將衰減，彎曲達到一定角度時衰減達到零點。為了實現(xiàn)準確、可靠的超聲測量，重要的是避免在接近零點的區(qū)域進行。本發(fā)明的模型給出的緊固件設(shè)計可以保證在受到彎曲時接收回波的完整性。所述模型可以計算出緊固件10的頭部12或螺紋端14中至少一個端面的半徑或其它輪廓。對這些端面采用這個半徑值或其它輪廓，可以使接收到零幅值回波的彎曲角度增大，并且可以降低回波對彎曲應(yīng)力的敏感程度。
所述模型包括，但不僅限于，緊固件10的末端14，頭部12，或頭部12和末端14均采用曲率半徑等于緊固件10長度的球形輪廓的設(shè)計。如上面所討論的，這種模型已經(jīng)通過具有球形末端14和球形頭部12的緊固件10進行了測試。其它各種結(jié)構(gòu)也是適當?shù)摹?br> 在根據(jù)本發(fā)明的緊固件設(shè)計的優(yōu)選實施例中，緊固件10頭部12的球形表面26的半徑(RH)等于緊固件10的長度減去末端14的半徑(RE)。也就是，球形表面26的曲率半徑與末端14的曲率半徑之和等于緊固件10的長度。圖13A和13B給出了這種結(jié)構(gòu)。這可能是最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，因為它具有不變的幾何路徑長度，因此對超聲信號的多次回波的幅值衰減最小。
當然本發(fā)明可用于任何既發(fā)射又接收緊固件10內(nèi)的超聲信號的裝置。例如，可以用與緊固件10緊挨著的電磁換能器或壓電換能器18(見圖13D)來發(fā)射和接收超聲信號。超聲換能器18和緊固件10永久固定在一起(和圖13B中一樣)。應(yīng)理解，也可以用與緊固件10緊挨著的激光器19(見圖13A)來發(fā)射和接收超聲信號。而且，這種設(shè)計的彎曲特性與超聲波發(fā)射接收機是否裝在緊固件10的頭部12上或螺紋末端14上無關(guān)。其它非限制性實施例介紹了采用裝在緊固件10上的活動的或固定的壓電換能器18的發(fā)明，當然也可以采用其它超聲信號發(fā)射和接收裝置發(fā)射和接收超聲信號，例如電磁換能器或激光器。
緊固件10的端面12和14取一定的輪廓有兩方面的好處它們將超聲波16聚焦而且，如果選擇合適的形狀，端面可以最大限度地將信號返回到超聲換能器18中，如圖13B所示。否則，對稱彎曲應(yīng)力將使得任何信號都不能到達超聲換能器18，而且即使得到了信號，也可能受彎曲的影響而發(fā)生畸變。在確定保證超聲換能器18能接收到一定的反射信號的曲率半徑RREF和保證接收信號具有最小誤差的曲率半徑RZDT之間時存在折衷方案。在某些應(yīng)用中，對RREF進行優(yōu)化以保證超聲換能器18能接收到一定的反射信號。盡管所述信號不是最精確的。前面概括的測試結(jié)果中，RREF一般約為緊固件長度的50％,RZDT一般約為緊固件長度的40％。當然，這些百分比將隨具桿部的緊固件而改變。對于許多不同的緊固件，RREF和RREF的合適取值范圍大約是緊固件長度的25-70％，更適宜的范圍是30-60％。
在另一個實施例中，緊固件10具有一個內(nèi)緊固的頭部或減輕孔凹槽17，凹槽17的內(nèi)表面的一部分具有球形輪廓26，末端表面14也是球形輪廓。見圖13C。在內(nèi)部凹槽僅用來減輕緊固件10的重量時，凹槽17作為減輕孔。
緊固件10可以具有一定輪廓的末端14和平的頭部12。在加工內(nèi)緊固螺紋時平頭比較容易做，因而在一些應(yīng)用中需要。
例如，圖13D給出了根據(jù)本發(fā)明的緊固件10的另一個實施例。在這個實施例中，緊固件10末端的一部分是球形，半徑為RE，頭部是平的，其上裝有可活動的或固定的換能器18。如果換能器18是可活動的，那么最好選用平頭，這樣可以與換能器的平面相接合。或者對于在自動供料裝置中所使用的斜切的或尖頂?shù)木o固件(如圖13D所示)，緊固件10頭部(如圖13A所示)或末端(如圖13D所示)只有一部分做成一定形狀。
通過兩次反射引起的超聲波反向?qū)a(chǎn)生對由彎曲應(yīng)力帶來的超聲受力測量誤差的內(nèi)部自動補償。圖14給出了一個在末端14上有一個90°錐形尖端28的緊固件10，它使超聲波反射兩次后反向，這樣從換能器18沿緊固件10的桿部13向下傳播的超聲波16的部分波前沿軸對稱的平行路徑返回換能器18。錐形尖端28可以，例如如圖14中所示的通過倒圓或平切將尖頂截掉，或者如圖16所示，做成三角形的，下面將對此進行討論。注意到90°錐形平面28保證穿過整個波前的路徑長度是相等的。如圖14所示，緊固件10沒有受到彎曲。
當圖14給出的設(shè)計的緊固件10受到沿箭頭20的方向的彎曲力時，如圖15所示，彎曲力在緊固件10的左邊造成了一個受拉應(yīng)力減小的區(qū)域(用減號表示)，在緊固件10的右邊則造成了一個受拉應(yīng)力增大的區(qū)域(用加號表示)。超聲波16反向后，波前沿平行路徑反射回去(而不是單個平面產(chǎn)生的發(fā)散路徑)。而且，相位誤差最小，因為由于軸對稱反向，波前的每個部分都經(jīng)過了彎曲應(yīng)力為正和為負的區(qū)域。
在圖16中，示出的緊固件10的兩端可能具有兩種可能的輪廓。具桿部而言，緊固件10的頭部12具有球形輪廓而緊固件10的末端14具有錐形尖頂28，這在某些情況下可能是最佳的結(jié)構(gòu)，或者可以作為對一定的球形輪廓的近似以提供生產(chǎn)上的優(yōu)勢。這些表面輪廓可以在存在非對稱應(yīng)力的情況下保持超聲回波的完整性。
下面給出的條形圖是驗證本發(fā)明的模型的優(yōu)點的測試結(jié)果。測試是在20MHz下進行的，采用了現(xiàn)有技術(shù)中介紹的一種薄膜換能器，直徑為5mm。雖然本測試中所采用的螺栓都具有相同的基本尺寸(M10×75mm)，但緊固件的頭部和末端的端面輪廓采用五種不同的組合。圖中給出了每種樣式的螺栓要達到零回波所需要的平均彎曲程度。y軸列出了螺栓的不同樣式?！捌?R80”對應(yīng)一個具有平的頭部和球形曲率為80mm(80mm曲率半徑，或“ROC”)的末端的螺栓；“平-平”是指螺栓的頭部和末端都是平的(通常的未改造的情況)；“R80-R80”則對應(yīng)于在螺栓的頭部和末端都具有80mm的球形輪廓。
不同頭部和末端輪廓組合螺栓樣品的平均零位置
對所述圖進行分析發(fā)現(xiàn)當緊固件頭部，尤其是末端采用一定造形后，彎曲靈敏度顯著下降。在每種情況下零位置都比通常的“平-平”組合顯著增加(對彎曲應(yīng)力的靈敏度降低)。
對緊固件的造形可以和已有的幾何特征如減輕孔或內(nèi)緊固孔等聯(lián)合使用。圖17示出了一個具有人造反射器30的常規(guī)緊固件10。緊固件10用來做超聲受力測量。反射器30調(diào)整到一定角度使得超聲波從反射器30反射后沿原路直接返回到換能器18。當緊固件10彎曲時，超聲波反射后將以一定角度遠離換能器18。所述緊固件還表現(xiàn)出由彎曲引起的非對稱應(yīng)力梯度的不利影響。
圖18給出的設(shè)計是包含了本發(fā)明的所述概念的一種改進。在這個實施例中，采用常規(guī)的金屬滾軋裝置對緊固件10的桿部13進行加工以形成一個或多個圓環(huán)21作為反射器30，或者采用適當?shù)墓に噷⑵浼庸こ蓜e的形狀，使得超聲波16經(jīng)一個反射器30反射后沿徑向橫穿緊固件10到達另一個反射器30，然后沿軸對稱路徑返回，這樣就可以抵消由彎曲引起的非對稱應(yīng)力梯度的不利影響。兩個反射器30做成一定角度使得超聲波16沿徑向反射后橫穿緊固件10。雖然示出的頭部12具有錐形表面，用來接收和發(fā)射從反射器30反射回來的超聲回波，但頭部12也可以是平的或任何其它形狀，去接收和發(fā)射射向反射器30和從反射器30發(fā)來的超聲回波。
盡管這里給出的和介紹的都是參照一定的具桿部實施例，但本發(fā)明并不僅限于給出的細節(jié)。而是在與權(quán)利要求等價的范圍和程度內(nèi)，在不偏離本發(fā)明的精神的前提下，可以在細節(jié)上進行各種改造。例如，雖然示出的換能器18是放置在緊固件10的頭部12上，但換能器18也可以放置在緊固件10的末端14上。另外，也可以用激光器代替換能器來反射超聲波并接收超聲回波。
權(quán)利要求
1．一種制造受力指示構(gòu)件的方法，包括以下步驟提供一個在應(yīng)力作用下發(fā)生形變，即其中一部分相對于另一部分發(fā)生相對移動的受力構(gòu)件，所述受力構(gòu)件具有第一端，第二端和一個預定的長度；對所述受力構(gòu)件的所述第一和第二端中至少一端的至少一個部分進行造形，以降低幾何形狀變化和所述受力構(gòu)件內(nèi)的非對稱應(yīng)力對超聲測量的影響；以及提供發(fā)射通過所述受力構(gòu)件的超聲波和接收從所述造形后的輪廓反射回來的回波的裝置，所述超聲波發(fā)射和接收裝置放置在所述受力構(gòu)件的一端。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述輪廓近似為球形。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述輪廓近似為錐形。
4．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述輪廓的曲率半徑至少為所述構(gòu)件的長度的25％。
5．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述輪廓的曲率半徑小于所述構(gòu)件的長度的70％。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述超聲波發(fā)射和接收裝置是一個從一組壓電和電磁換能器中選出的換能器。
7．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述超聲波發(fā)射和接收裝置是一個激光器。
8．一個受力指示裝置，包括一個在應(yīng)力作用下發(fā)生形變且具有第一端，第二端和預定長度的受力構(gòu)件，其中對所述受力構(gòu)件的所述第一和第二端中至少一端的至少一個部分進行造形，以降低幾何形狀變化和所述受力構(gòu)件內(nèi)的非對稱應(yīng)力對超聲測量的影響；以及發(fā)射通過所述受力構(gòu)件的超聲波和接收從所述造形后的輪廓反射回來的回波的裝置，所述超聲波發(fā)射和接收裝置放置在所述受力構(gòu)件的一端。
9．根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其中所述輪廓近似為球形。
10．根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其中所述輪廓近似為錐形。
11．根據(jù)權(quán)利要求9的裝置，其中所述輪廓的曲率半徑至少為所述構(gòu)件的長度的25％。
12．根據(jù)權(quán)利要求9的裝置，其中所述輪廓的曲率半徑小于所述構(gòu)件的長度的70％。
13．根據(jù)權(quán)利要求9的裝置，其中所述輪廓的曲率半徑約為所述構(gòu)件的長度的100％。
14．根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其中所述超聲波發(fā)射和接收裝置是一個從一組壓電和電磁換能器中選出的換能器。
15．根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，其中所述換能器固定在所述受力構(gòu)件的所述第一和第二端之一的上面。
16．根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，其中在所述受力構(gòu)件的所述第一和第二端之一的上面裝有可活動的所述換能器。
17．根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其中所述超聲波發(fā)射和接收裝置是一個激光器。
18．根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其中所述受力構(gòu)件的所述第一端和第二端都經(jīng)過了造形。
19．根據(jù)權(quán)利要求18的裝置，其中所述輪廓近似為球形，并且所述第一端的輪廓具有第一個曲率半徑，所述第二端的輪廓具有第二個曲率半徑，以及其中所述第一個曲率半徑和第二個曲率半徑之和約等于所述受力構(gòu)件的長度。
20．根據(jù)權(quán)利要求18的裝置，其中所述第一端的輪廓近似為球形，曲率半徑約為所述構(gòu)件的長度的30-70％，并且所述第二端的輪廓近似為球形，曲率半徑約為所述構(gòu)件的長度的30-70％。
21．根據(jù)權(quán)利要求18的裝置，其中所述第一端的輪廓近似為球形，曲率半徑約為所述構(gòu)件的長度的100％，并且所述第二端的輪廓近似為球形，曲率半徑約為所述構(gòu)件的長度的30-70％。
22．根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其中所述第一和第二端之一的至少一部分經(jīng)過了造形，而所述另一端是平的，所述超聲波發(fā)射和接收裝置安裝在所述平的一端附近。
23．根據(jù)權(quán)利要求22的裝置，其中所述輪廓的曲率半徑約為所述構(gòu)件的長度的30-70％。
24．根據(jù)權(quán)利要求22的裝置，其中所述輪廓的曲率半徑約為所述構(gòu)件的長度的100％。
25．根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其中所述受力構(gòu)件是從包括緊固件，螺栓，螺樁和鉚釘?shù)囊唤M構(gòu)件中選出的。
26．根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其中所述受力構(gòu)件的所述第一端具有一個凹槽，所述凹槽具有一個內(nèi)表面，所述內(nèi)表面的一部分經(jīng)過了造形。
27．一個受力指示裝置，包括一個在應(yīng)力作用下發(fā)生形變且具有第一端，第二端，及一個從所述第一端延伸到所述第二端的桿部的預定長度的受力構(gòu)件；所述桿部具有至少一個反射器以降低幾何形狀變化和所述受力構(gòu)件內(nèi)的非對稱應(yīng)力對超聲測量的影響；以及發(fā)射通過所述受力構(gòu)件的超聲波和接收從所述反射器反射回來的超聲回波的裝置，所述超聲波發(fā)射和接收裝置放置在所述受力構(gòu)件的所述第一和第二端之一上。
28．根據(jù)權(quán)利要求27的裝置，其中所述超聲波發(fā)射和接收裝置是一個從一組壓電和電磁換能器中選出的換能器。
29．根據(jù)權(quán)利要求27的裝置，其中所述超聲波發(fā)射和接收裝置是一個激光器。
30．一個受力指示裝置，包括一個在應(yīng)力作用下發(fā)生形變且具有第一端，第二螺紋端和預定長度的受力構(gòu)件，其中所述第二螺紋端的至少一個部分經(jīng)過了造形以降低幾何形狀變化和所述受力構(gòu)件內(nèi)的非對稱應(yīng)力對超聲測量的影響；其中所述的輪廓近似為球形，曲率半徑約為所述構(gòu)件的長度的30-60％；以及發(fā)射通過所述受力構(gòu)件的超聲波和接收從所述輪廓反射回來的超聲回波的裝置，所述超聲波發(fā)射和接收裝置放置在所述受力構(gòu)件的所述第一端上。
31．根據(jù)權(quán)利要求30的裝置，其中所述超聲波發(fā)射和接收裝置是一個從一組壓電和電磁換能器中選出的換能器。
32．一種確定具有第一端，第二端和預定長度的受力構(gòu)件的至少一端的至少一個部分的表面輪廓的方法，其中所述第二端具有一定的表面輪廓，當所述受力構(gòu)件受到非對稱應(yīng)力作用時，能夠使由緊挨著第一端的超聲波發(fā)射裝置發(fā)出的并經(jīng)所述輪廓反射的聲波指向一個緊挨著第一端的超聲回波接收裝置，本方法包括以下步驟計算當所述受力構(gòu)件受到非對稱應(yīng)力作用時，所述受力構(gòu)件的所述第二端相對于所述第一端的偏移；確定當所述受力構(gòu)件受到非對稱應(yīng)力作用時，從所述第一端傳播到所述第二端的所述聲波的入射線路徑；以及確定當所述受力構(gòu)件受到非對稱應(yīng)力作用時，將所述聲波反射回所述超聲回波接收裝置的表面的表面輪廓。
33．根據(jù)權(quán)利要求32的方法，其中所述確定所述輪廓的步驟包括對所述輪廓的曲率半徑進行計算，使得所述半徑等于YB/tan(θB)式中YB是所述第二端相對于所述第一端的線偏移，θB是所述第二端相對于所述第一端的角偏移。
34．根據(jù)權(quán)利要求32的方法，其中所述超聲波發(fā)射裝置和所述超聲回波接收裝置是一個從一組壓電和電磁換能器中選出的換能器。
35．根據(jù)權(quán)利要求32的方法，其中所述超聲波發(fā)射裝置和所述超聲回波接收裝置是一個激光器。
36．一種確定具有第一端，第二端和預定長度的受力構(gòu)件的至少一端的至少一個部分的表面輪廓的方法，其中第二端具有一定的表面輪廓，當所述受力構(gòu)件受到非對稱應(yīng)力作用時，能夠使由緊挨著第一端的超聲波發(fā)射裝置發(fā)出的并經(jīng)所述輪廓反射到一個緊挨著第一端的超聲回波接收裝置的聲波的行程時間變化最小，本方法包括以下步驟計算當所述受力構(gòu)件受到非對稱應(yīng)力作用時，所述受力構(gòu)件的所述第二端相對于所述第一端的偏移；確定當所述受力構(gòu)件受到非對稱應(yīng)力作用時，從所述第一端傳播到所述第二端的所述聲波的入射線路徑；計算當所述受力構(gòu)件受到非對稱應(yīng)力作用時，所述偏斜的聲波的行程時間的變化；并確定當所述受力構(gòu)件受到非對稱應(yīng)力作用時，使行程時間變化最小的表面的表面輪廓。
37．根據(jù)權(quán)利要求36的方法，其中所述確定所述輪廓的步驟包括對所述輪廓的曲率半徑進行計算，使得所述半徑等于((RB/RR+1)2YB2-ΔX2)/2ΔX式中 RB是彎曲曲率半徑；RR是聲波線路徑的曲率半徑；YB是總的線性偏移；以及ΔX是將行程時間減小到零所要求的幾何路徑長度的減小量。
38．根據(jù)權(quán)利要求36的方法，其中所述超聲波發(fā)射和所述超聲回波接收裝置是一個從一組壓電和電磁換能器中選出的換能器。
39．根據(jù)權(quán)利要求36的方法，其中所述超聲波發(fā)射和所述超聲回波接收裝置是一個激光器。
全文摘要
一個包括一個受力構(gòu)件(10)的受力指示裝置在受力時產(chǎn)生變形。超聲波發(fā)射和接收裝置在受力構(gòu)件的一端(12)射入超聲波并在同一端接收超聲回波。在一個實施例中,使用放置在受力構(gòu)件頭部(12)或另一端(14)的超聲換能器(18)發(fā)射和接收超聲波。頭部、末端、桿部(13)或它們的組合經(jīng)過造形以減小幾何形狀變化和受力構(gòu)件中的非對稱應(yīng)力對超聲測量的影響。還提供了一種方法,包括一個模型,通過它可以對受力構(gòu)件造形表面的幾何形狀進行設(shè)計。還提供了一種制造至少一端或桿部經(jīng)過造型以減小幾何形狀變化或受力構(gòu)件內(nèi)的非對稱應(yīng)力對超聲測量的影響的受力構(gòu)件的方法,和一種鑒別受力構(gòu)件的輪廓的方法以便準確和可靠地進行超聲受力測量。
文檔編號G01L5/24GK1222973SQ97195759
公開日1999年7月14日 申請日期1997年5月5日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月5日
發(fā)明者I·E·基布勒懷特, C·J·韋基奧 申請人:超快公司