一種利用主動超聲導(dǎo)波定量化監(jiān)測螺栓預(yù)緊力矩的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種利用主動超聲導(dǎo)波定量化監(jiān)測螺栓預(yù)緊力矩的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]螺栓連接廣泛存在于機械、土木、能源和航空航天工程領(lǐng)域?？刂坪捅３致菟A(yù)緊力是確保工程結(jié)構(gòu)安全服役的重要前提。然而，長期服役過程中的螺栓應(yīng)力松弛，以及外部振動、沖擊等力學(xué)環(huán)境都可能導(dǎo)致螺栓預(yù)緊力下降、連接松動，嚴重危害結(jié)構(gòu)的安全性。
[0003]目前，工程中對螺栓預(yù)緊力的監(jiān)測方法，一類是常規(guī)的無損監(jiān)測手段，如利用超聲成像、X射線探傷等方法；另一類方法是在螺栓上固定應(yīng)變片或力傳感器，通過測量螺栓應(yīng)變變化或壓力變化監(jiān)測螺栓預(yù)緊力的變化。前者需要大型設(shè)備支持，可能需要拆解結(jié)構(gòu)，不適合實時在線的監(jiān)測；后者需要對螺栓鉆孔進行引線或改變結(jié)合部的構(gòu)造，很難實際應(yīng)用。
[0004]近年來，利用超聲導(dǎo)波方法的損傷監(jiān)測方法被應(yīng)用于單一材料管道、平板等結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測中，但公開文獻中其在螺栓松動監(jiān)測方面的研究還很少并有以下限制:采用能量定向性較差的主動超聲激勵元件，使得激勵能量發(fā)散，造成期望方向的波能量不足；未能建立監(jiān)測參考數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)方法；特征參量靈敏度低和分辨率不高，從而不能夠定量評估螺栓預(yù)緊狀態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]要解決的技術(shù)問題
[0006]本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述技術(shù)問題之一或至少提供一種有用的商業(yè)選擇。為此，本發(fā)明的一個目的在于提供一種利用主動超聲導(dǎo)波定量化監(jiān)測螺栓預(yù)緊力矩的方法，采用MFC (Macro-Fiber Composite)宏纖維壓電復(fù)合材料元件作為激勵和傳感器，定向激勵結(jié)構(gòu)并采集波動響應(yīng)，建立螺栓預(yù)緊力矩參考比對數(shù)據(jù)庫，從而能夠基于參考數(shù)據(jù)庫在線監(jiān)測螺栓預(yù)緊力矩。
[0007]技術(shù)方案
[0008]在本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提出一種利用主動超聲導(dǎo)波定量化監(jiān)測螺栓預(yù)緊力矩的方法，其特征在于:包括以下步驟:
[0009]步驟1:離線建立參考數(shù)據(jù)庫:
[0010]步驟1.1:采用數(shù)顯力矩扳手將待測螺栓在連接結(jié)構(gòu)上手動擰緊，并記錄力矩扳手數(shù)值；
[0011]步驟1.2:在連接結(jié)構(gòu)上膠粘兩片宏纖維壓電復(fù)合材料元件，分別作為激勵器和傳感器；其中兩片宏纖維壓電復(fù)合材料元件分別處于待測螺栓兩側(cè)，螺栓中心以及兩個宏纖維壓電復(fù)合材料元件的主形變方向共線；
[0012]步驟1.3:作為激勵器的宏纖維壓電復(fù)合材料元件依次連接功率放大器和波形發(fā)生器；作為傳感器的宏纖維壓電復(fù)合材料元件依次數(shù)字示波器和計算機；
[0013]步驟1.4:在波形發(fā)生器中存儲3-5周期經(jīng)漢寧窗調(diào)制的正弦信號，正弦信號中心頻率為100?300KHZ ;波形發(fā)生器將存儲的正弦信號按照單脈沖形式輸出，輸出信號經(jīng)功率放大器放大后施加給作為激勵器的宏纖維壓電復(fù)合材料元件電極兩端，功率放大器放大后的信號脈沖峰峰值為80?100V ；
[0014]步驟1.5:監(jiān)測作為傳感器的宏纖維壓電復(fù)合材料元件兩端電極的電壓信號，并對監(jiān)測到的信號進行高通濾波，得到濾波后的響應(yīng)信號；
[0015]步驟1.6:計算濾波后的響應(yīng)信號的均方根，并以均方根作為識別螺栓預(yù)緊扭矩的特征參量；
[0016]步驟1.7:徹底松動螺栓，而后以步驟1.1中手動擰緊的力矩值開始，選擇若干個大于手動擰緊力矩值的螺栓預(yù)緊力矩；對于每個螺栓預(yù)緊力矩值，重復(fù)步驟1.4-步驟1.6，得到該螺栓預(yù)緊力矩值對應(yīng)的特征參量；建立由預(yù)緊力矩和特征參量組成的參考數(shù)據(jù)庫；
[0017]步驟2:在線監(jiān)測螺栓預(yù)緊力矩:
[0018]波形發(fā)生器按照設(shè)定的時間間隔重復(fù)將存儲的正弦信號以脈沖形式輸出，而后監(jiān)測作為傳感器的宏纖維壓電復(fù)合材料元件兩端電極的電壓信號，并對監(jiān)測到的信號進行高通濾波，得到濾波后的響應(yīng)信號；計算濾波后的響應(yīng)信號的均方根；將得到的均方根與參考數(shù)據(jù)庫比較，得到螺栓預(yù)緊力矩值。
[0019]另外，根據(jù)本發(fā)明的實施例，還可以具有如下附加的技術(shù)特征:
[0020]所述一種利用主動超聲導(dǎo)波定量化監(jiān)測螺栓預(yù)緊力矩的方法，其特征在于:在連接結(jié)構(gòu)上用3MDP460工業(yè)膠粘貼宏纖維壓電復(fù)合材料元件，膠層厚度為0.04-0.06mm，并在50°C?60°C溫度下固化兩個小時。
[0021]所述一種利用主動超聲導(dǎo)波定量化監(jiān)測螺栓預(yù)緊力矩的方法，其特征在于:步驟1.5中高通濾波的截止頻率不小于步驟1.4中的中心頻率的1.5倍。
[0022]所述一種利用主動超聲導(dǎo)波定量化監(jiān)測螺栓預(yù)緊力矩的方法，其特征在于:步驟1.7中，對于每個螺栓預(yù)緊力矩值，重復(fù)步驟1.4-步驟1.6若干次，得到該螺栓預(yù)緊力矩值對應(yīng)的特征參量平均值的95%置信區(qū)間；建立由預(yù)緊力矩和特征參量平均值95%置信區(qū)間組成的參考數(shù)據(jù)庫。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的實施例，該利用主動超聲導(dǎo)波定量化監(jiān)測螺栓預(yù)緊力矩的方法可以不用拆解結(jié)構(gòu)就能快速監(jiān)測螺栓的松緊狀態(tài)，降低裝配成本，提高效率；而且該方法操作簡單，針對單螺栓扭矩值具有較高的定量化監(jiān)測精度；另外，采用的宏纖維壓電復(fù)合材料元件很薄(約0.2mm)，粘貼后不影響結(jié)構(gòu)性能。
【附圖說明】
[0024]本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0025]圖1:螺栓預(yù)緊力矩監(jiān)測系統(tǒng)；
[0026]圖2:螺栓預(yù)緊力矩監(jiān)測系統(tǒng)測量流程；
[0027]圖3:實例的試件結(jié)構(gòu)尺寸及激勵和監(jiān)測點位置；
[0028]圖4:五周期的正弦經(jīng)漢寧窗調(diào)制的脈沖信號；
[0029]圖5:實例的螺栓在2N.m扭矩下監(jiān)測點的原始信號及濾波后的信號；
[0030]圖6:實例的不同預(yù)緊力下監(jiān)測點響應(yīng)濾波后的RMS(多次重復(fù)實驗)；
[0031]圖7:實例的RMS均值的95%置信區(qū)間隨不同預(yù)緊力矩的變化(參考數(shù)據(jù)庫)。
【具體實施方式】
[0032]下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0033]在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”、“順時針”、“逆時針”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0034]此外、術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本發(fā)明的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。
[0035]本實施例是利用主動超聲導(dǎo)波技術(shù)的螺栓連接預(yù)緊力矩定量化監(jiān)測方法，該方法采用Pl型MFC施加定向激勵，在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生超聲導(dǎo)波，導(dǎo)波傳播經(jīng)過螺栓連接后，測量波響應(yīng)信號并進行處理，將獲得的特征信息與參考數(shù)據(jù)庫對比，判斷螺栓的當(dāng)前預(yù)緊力矩狀態(tài)，實現(xiàn)無損、在線地定量化監(jiān)測螺栓預(yù)緊力。
[0036]如圖2所示，方法包括兩大部分:
[0037]步驟1:離線建立參考數(shù)據(jù)庫:
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