压电阻抗解耦技术在螺栓联接状态监测中的应用

针对螺栓联接状态监测问题,提出了基于压电阻抗解耦技术的螺栓松动监测技术。建立相应的实验装置,检测螺栓在不同预紧力下的导纳信号,将所采集的压电导纳信号,剔除导纳信号的被动部分后对所得到的导纳信号主动部分采用阻抗解耦算法,获得新的测点结构阻抗信息。以解耦得到的测点结构阻抗信号的实部定义了RMSD(Root Mean Square Deviation均方根偏差)损伤指标,识别螺栓联接状态(表现为螺栓轴向预紧力变化)。试验表明:导纳实部损伤指标能反映螺栓的联接状态;将解耦得到的机械阻抗实部作为监测螺栓联接状态的指标,较之常用的直接采用导纳信号实部定义的RMSD损伤指标,该方法所得的损伤指标明显提高,能更加有效的识别螺栓联接状态。     

基于压电阻抗频率变化的螺栓松动检测技术

针对螺栓松动问题,提出基于压电阻抗频率变化的螺栓松动监测方法。在螺栓头部安装压电材料,采用材料试验机拉伸螺栓来精确模拟螺栓所受预紧力;研究了洁净环境和油污环境中,压电材料导纳谱中的峰值频率随螺栓预紧力的变化。结果表明：随着螺栓预紧力的增大,压电导纳谱中的峰值频率降低,且两者间具有较好的线性关系;油污对测试影响较小。     

基于结构界面波能损耗的螺栓联接结构健康监测

针对工程实际中的螺栓松动问题,基于压电陶瓷片激发的超声波通过粗糙接触界面后的能量损耗变化与螺栓预紧力的关系,提出了一种螺栓联接结构压电主动式健康监测的方法。通过有限元法模拟了超声波通过螺栓联接界面的传播过程,分析了超声波通过联接界面后的波能损耗变化,并进行实验验证。结果表明:随着预紧力的增加,超声波通过联接界面后的波能损耗减小,波能损耗与预紧力呈单调变化关系。利用该性质监测螺栓联接松动具有很好的应用前景。     

碳纤维复合材料层合板损伤的压电阻抗法检测研究

为了验证压电阻抗(Electro-Mechanical impedance,EMI)技术在复合材料结构无损检测中的适用性,搭建损伤检测实验平台,设置不同的工况,测量不同损伤状态下PZT的电导曲线。利用均方根偏差RMSD对电导曲线进行分析,得出了损伤程度、损伤位置与RMSD值之间的关系:损伤程度增大,PZT测得电导曲线的偏移量增大,体现为RMSD值增大;与损伤位置间距越小的PZT测得电导曲线的RMSD值越大。验证了压电阻抗法应用于复合材料结构的适用性,并利用损伤距离与RMSD值之间的关系进行初步定位实验,得到精度较高的定位拟合曲线。     

螺栓松动寿命特性试验研究

为研究螺栓松动寿命特性,利用疲劳试验机,设计了螺栓横向振动试验。首先改变横向振动频率,对比位移、速度、加速度振幅对螺栓松动寿命的影响,确定横向位移振幅是影响螺栓松动的主要因素。之后对五个位移振幅等级下的螺栓松动程度进行监测,通过剩余预紧力-振动次数曲线表示螺栓松动情况。将各个位移振幅下预紧力各个阶段数据汇总,参照疲劳研究中材料S-N曲线,绘制成不同松动情况下(剩余预紧力百分比)螺栓松动的位移-寿命(D-N)曲线。分析结果表明:通过螺栓松动D-N曲线,发现螺栓松动寿命曲线与材料疲劳寿命曲线在对数坐标下同样具有双直线、高低周分界的特性。     

复合材料干涉连接结构多界面夹紧力有限元分析

建立了碳纤维增强复合材料(CFRP)的单搭接螺栓连接结构三维模型,在充分考虑材料属性及接触关系的基础上,进行了干涉配合状态下孔周应力状态和夹紧力分布的数值模拟与分析。结果表明:在预紧力沿模型板厚方向的传递过程中,螺栓与孔壁接触界面的摩擦力会直接抵消部分作用力,导致自螺母端至螺栓钉头端夹紧力逐渐降低,降低的幅度与速率受到预紧力大小和孔周应力状态的影响。     

压电阻抗技术用于螺栓松紧健康诊断

实验研究了利用压电片进行结构微小损伤的健康诊断,以螺栓松动为例,在螺栓附近粘贴压电片,对压电片实施激励,实验分析螺栓松动情况下压电片的特性变化。结果表明,螺栓松动引起的微小损伤,在低频电压激励下引起压电片导率变化不显著,但是在高频下（大于50kHz),不同的作用频率范围下,压电片导率都有明显改变,因此,高频作用下压电片导率的变化可以作为结构健康诊断的一个标尺。     

温变工况下的EMI螺栓松动损伤识别

环境温度变化易引起机电阻抗方法(EMI)结构健康监测的损伤误报,以螺栓组连接的铝板为对象,分别进行了温度对导纳信号的影响实验及温变工况下的螺栓松动损伤识别实验,采用平均绝对偏差与相关系数偏差量化表征导纳信号改变程度,利用信号互相关迭代算法分段补偿温度影响。结果表明,温度变化引起导纳信号的水平偏移,且偏移量随频率与温差的增加而增大,引起损伤指标变化,影响螺栓连接状态判定。通过迭代算法进行温度补偿后,极大程度消除了温度影响,有效提高了螺栓松动损伤识别的敏感程度,避免温度变化引起损伤误报。     

工程车辆车轮螺栓预紧力衰减研究

文中以某工程车辆为例,对车轮螺栓在紧急制动工况下预紧力衰减进行研究。首先对车辆车轮螺栓的预紧力及拧紧力矩进行了理论计算。不同类型螺母、不同螺母厚度、不同紧固方式、不同扭矩系数在紧急制动工况下轴向预紧力衰减不同,使用力矩扳手方式紧固的螺栓在试验后的预紧力不满足设计要求;在冲击载荷下施必牢螺母预紧效果良好,30mm厚度螺母剩余预紧力较大,满足要求。最后在试验的基础上对理论计算最小紧固力矩进行修正,为设计人员理论计算的数据更接近真实工况提供支撑。研究表明：冲击载荷下选择30 mm厚度防松螺母,采用拧紧机拧紧的紧固方法可以得到满足要求的剩余预紧力。     

剪切激励下盲孔螺栓连接结构的松动行为研究

为研究盲孔螺纹连接的松动机制及螺纹表面的磨损机制,选取高速列车转向架轴端盖7050铝合金与45钢螺栓连接为研究对象,开展剪切激励下螺栓连接结构的松动行为研究。分析预紧力、剪切位移幅值及重复利用次数对螺栓连接结构松动行为的影响规律,利用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱仪(EDX)对试验后7050铝合金内螺纹表面进行损伤形貌及化学成分分析。结果显示:随着初始预紧力的减小、剪切位移幅值和重复使用次数的增大,螺纹表面损伤加剧,螺栓连接结构松动程度增大;螺纹接触表面的主要磨损机制为疲劳磨损和黏着磨损。