基于声弹性效应的螺栓轴向应力检测系统研究

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1、国内图书分类号：TP274+.2密级：公开国际图书分类号：681.2西南交通大学研究生学位论文基于声弹性效应的螺栓轴向应力检测系统研究年级二零一五级姓名贾雪申请学位级别工学硕士专业仪器科学与技术指导老师王雪梅副教授二零一八年五月ClassifiedIndex:TP274+.2U.D.C:681.2SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisRESEARCHONBOLTAXIALSTRESSDETECTIONSYSTEMBASEDONACOUSTOELA

2、STICEFFECTGrade:2015Candidate:JiaXueAcademicDegreeAppliedfor:MasterDegreeSpeciality:InstrumentScienceandTechnologySupervisor:AssociateProf.WangXuemeiMay.2018西南交通大学硕士研究生学位论文第I页摘要螺栓作为常用的联接件，普遍应用于船舶、车辆、桥梁、航空航天等领域关键设备的联接处。螺栓轴向应力对工程结构的使用状态、性能和寿命都有较大的影响。螺栓联

3、接发生松动，可能诱发结构失稳，导致严重的安全事故。为了确保整个设备工作的可靠性和安全性，科学准确地检测螺栓轴向应力大小，进而判断其联接状态具有十分重要的工程意义和运用价值。通过大量文献资料的阅读和分析，针对常规螺栓轴向应力检测法的局限性，确定了采用基于声弹性效应的超声纵波检测法对螺栓轴向应力进行测量。该方法通过测量超声波渡越时间实现对螺栓轴向应力的间接测量。为了实现螺栓轴向应力的准确测量，需建立高性能的数据采集、传输和处理系统。整个系统主要包括两大部分：标定试验系统和螺栓应力检测系统。前者主要是确

4、定螺栓轴向应力和超声波渡越时间之间的函数关系；后者主要实现对螺栓联接状态的实时检测或监测。论文首先基于胡克定律和声弹性效应原理，建立了反映螺栓轴向应力与超声波渡越时间差关系的数学模型，并分析了温度对测量结果的影响。在此基础上建立了有效的标定试验系统，采用高速率和高分辨率的测试系统对超声回波信号进行采集，并利用小波去噪法消除高频噪声对测试信号的影响，提高了超声波渡越时间测量的准确度。通过对8.8级碳钢和12.9级合金钢两种不同材质螺栓的实际测试和数据处理，得到反映螺栓轴向应力和超声波渡越时间差的函数

5、关系，其具有高度显著的线性关系。论文完成了基于现场可编程门阵列FPGA的螺栓应力检测系统的硬件及软件设计。重点对高速数据采集模块、FPGA控制模块、基于UDP协议的千兆以太网数据传输模块进行了分析、设计和调试。论文采用两路AD的时间交错采样法以提高采样频率，利用FIFO缓存数据，并用有限状态机方式实现以太网传输的逻辑设计，最后在QuartusII软件上利用在线逻辑分析仪SignalTapII进行系统调试。调试结果表明，系统在物理层部分的数据传输没有丢包现象，系统工作稳定。论文最后设计了基于LabV

6、IEW的PC端用户界面，并完成了对螺栓应力检测系统性能的实际测试。利用LabVIEW完成对以太网传输数据的接收、显示及后续处理；利用所研制的检测系统对8.8级碳钢螺栓应力进行了实际测量，并对测得的数据进行三次样条插值等处理。多次重复测试和数据分析结果表明，整个检测系统工作稳定，超声波渡越时间的分辨率达到2ns，螺栓轴向应力测量分辨率达到约2.131MPa。关键词：螺栓轴向应力；超声波检测；标定试验；FPGA；千兆以太网；LabVIEW西南交通大学硕士研究生学位论文第II页AbstractAsaco

7、mmonlyusedconnector,boltsarewidelyusedintheconnectionofkeyequipmentinships,vehicles,bridges,aerospaceandotherfields.Theaxialstressofthebolthasgreatinfluenceontheusestate,performanceandlifespanoftheengineeringstructure.Looseconnectionofboltscancausestr

8、ucturalinstabilityandserioussafetyaccidents.Inordertoensurethereliabilityandsafetyofthewholeequipment,itisofgreatengineeringsignificanceandapplicationvaluetoscientificallyandaccuratelydetecttheaxialstressofthebolt,andthentojudgetheconnectionst