基于小波变换与统计分析的转子碰摩声发射特性研究

为解决转子碰摩损伤声发射信号分类及解释难题,应用PCI-2声发射系统和WS-ZHT1型多功能转子实验台组成转子碰摩声发射检测系统,采集转子局部碰摩声发射信号,通过理论分析声发射信号特征和小波基函数性质,dB8小波适合提取声发射信号特征;碰摩产生大量声发射信号,大量声发射信号的统计特性蕴涵较多碰摩信息。对不同转速条件下不同检测位置碰摩声发射信号的统计分析表明,声发射信号的功率谱密度集中在100～400 kHz。声发射信号平均幅值、平均能量可作为区分转子碰摩程度特征参数;功率谱主频可作为区分声发射相对位置特征参数,结论与碰摩类型无关。     

基于近场波束形成法的声发射源定位研究

引入近场波束形成法处理声发射信号,研究在小区域布置少量传感器来实现声发射源定位的新方法.首先,利用板波理论进行声发射信号传播特性研究,对比了板中声发射信号与空气中声波传播的差异性,分析了波束形成法应用于声发射源定位的问题.并在板上进行断铅实验,验证了近场波束形成法进行声发射源定位的有效性.最后,在旋转机械碰摩模拟实验台上进行了碰摩实验,利用波束形成法进行碰摩声发射源定位,所提出的方法能有效地定位旋转机械初始碰摩位置.所得结果可为声发射源定位提供一种新途径.     

辨识振动环境中两点螺栓连接状态的REE声发射指标

为探索基于声发射技术的两点板条螺栓连接结构连接状态的辨识,以累计能量参数为基础,提出了声发射相对当量能量指标（REE）,以便更有效地进行螺栓连接状态的辨识。声发射REE参量可消除声发射测试参数受振动时间等环境因素的影响,综合考虑了能量和振铃计数等声发射参数,可以更准确地辨识螺栓连接结构的连接状态。     

基于声信号三维谱分析的转子复合碰摩故障特征提取

转子在运行过程中的声音包含了大量的转子运行状态信号,变速过程中故障声信号特征的提取及其识别对于旋转机械故障诊断是极其必要的,目前基于声信号三维谱分析的转子故障特征提取还不多,在对转子旋转机械中的一些典型产生的碰摩故障及复合碰摩故障进行了试验模拟,对故障发生过程中的声信号进行采集的基础上,对转子故障声信号的三维谱特性进行了分析。提取和总结出由故障造成的声信号突变和对应的声谱特征。分析结果表明:采用声信号对转子的碰摩故障进行诊断是有效的。声信号三维谱图丰富旋转机械碰摩故障诊断系统知识库中的特征信息,可以用于更准确地诊断转子中的碰摩故障。     

基于代数网络和混沌参数的碰摩声发射源定位方法研究

针对时差定位法受不同模式波速度差异及波形传播畸变等因素影响的问题,将神经网络技术应用到声发射源定位中.为了克服传统BP算法训练时间长和精度不够高的缺点,提出代数神经网络概念,在网络训练阶段引入代数算法.将复杂的非线性优化问题转化为简单的代数方程组求解问题,直接获得最优点,大大缩短了网络的学习时间.同时作为定位特征研究分析了转子碰摩声发射信号的非线性动力学特性,提出了关联维数、最大Lyapunov指数和Kolmogoroy熵等声发射源的非线性动力学新特征,并将其作为神经网络的输入定位特征.实验结果表明,利用这些声发射源的非线性动力学特征和神经网络结合能较好地解决了碰摩声发射源定位问题,为转子碰摩故障诊断提供依据,具有良好的应用前景和进一步研究的价值.     

基于EMD与相关系数原理的故障声发射信号降噪研究

声发射信号经常受到许多非平稳非线性噪声的干扰,这给对有用声发射信号的识别增加了困难。依据相关系数原理提出了一种基于经验模态分解的旋转机械碰摩声发射信号的去噪方法,通过求出含噪信号经过经验模态分解后所得到的各阶本征模态函数与含噪信号自身的相关系数,根据其变化规律并结合经验模态分解的滤波特性,选取被噪声污染程度较低的本征模态函数对信号重构以达到去噪目的。该方法应用于被不同种类噪声污染的碰摩声发射信号的去噪,实验结果表明此方法能有效的去除噪声,并具有不受主观参数影响,结果稳定,自适应等优点。     

一种新的声发射信号消噪及故障诊断方法

在旋转机械故障诊断中,声发射信号极易受到噪声的干扰。针对经验模态分解(EMD)易产生模态混叠现象,提出了一种基于经验小波变换(Empirical Wavelet Transform,EWT)的消噪和旋转机械声发射碰摩故障诊断的方法。利用了EMD和小波变换的优点,通过对傅里叶频谱进行自适应划分,并构建小波滤波器组来提取声发射信号所包含的不同固有模态分量,可有效消除模态混叠现象,同时对分量进行Hilbert变换从而实现声发射信号的消噪和故障诊断。采用该方法对仿真信号进行加噪声和消噪处理,在同信号源下,对比基于d B4全阈值消噪、d B4默认软阈值消噪、d B4对高频系数处理消噪和EMD消噪效果。并将该方法应用到实际的声发射碰摩信号中。仿真和实验分析结果表明:EWT方法可以有效地分解出信号的固有模态,分解出的模态少,并且不存在难以解释的虚假模态,消噪效果优于其他方法,并且在声发射故障诊断中也有较大的优势。     

AE声谱图特征的转子碰摩故障识别方法研究

提出了一种基于时频分析的声发射信号特征参数分析方法——AE声谱图特征分析方法。它不仅能提高AE识别的有效数据量,同时利用声谱图作为表征转子运行状态的特征图,能从时间、频率和能量强度等多个角度显示AE信号的细节变化,进而有效描述AE信号蕴含的故障特征,对实现旋转机械的故障诊断具有重要意义。利用提出的AE声谱图特征构建了一个基于深度卷积神经网络的碰摩故障识别系统。实验结果表明,AE声谱图特征和CNN网络相结合,能有效提高转子碰摩AE信号的识别性能。     

碳纤维增强环氧树脂复合材料螺栓连接结构在拉伸载荷下损伤过程的声发射分析

采用声发射技术对不同几何尺寸的碳纤维增强环氧树脂复合材料（CFRP）螺栓连接结构在静力载荷下破坏行为进行了试验研究,比较了不同几何构型下的连接结构的破坏行为与声发射信号之间的映射关系。采用声发射技术对结构损伤过程中的声发射信号进行全程采集与转换,结合CFRP螺栓结构的载荷-位移曲线和宏/细观破坏形貌,分析了幅值、熵曲线和Andrews曲线与破坏行为之间的关系。结果表明:挤压与剪切破坏试件的载荷-位移曲线均呈现出较明显的塑性特征。结构发生挤压和剪切破坏时,声发射信号以中幅值信号为主,并伴随少量高幅值信号;结构发生拉伸破坏时对应的幅值为中幅值信号。根据熵曲线特征将CFRP连接结构破坏过程分为四个阶段,在损伤演化阶段发生纤维断裂、分层等失效模式,在结构失效阶段以分层失效为主。基于Andrews曲线分析得到挤压和拉伸失效模式在损伤演化阶段会出现多种损伤类型,剪切失效模式在结构失效阶段会出现多种损伤类型。      

基于声振信号EMD分解的轻微碰摩故障诊断方法研究

针对转子系统局部碰摩故障特征及声音振动信号特点,采用一种基于声振信号经验模式分解(Empirical Mode Decomposition简称EMD)的轻微局部碰摩故障诊断方法对滑动轴承碰摩故障进行特征提取。由于EMD分解不需要固定的基函数,根据信号特征自适应的调整,从而实现碰摩特征及旋转激励背景信号自动分解。通过设计滑动轴承缺油工况轴承碰摩试验,并进行振动全息测试分析,将所得声振信号本征模式函数时域特征和边界谱特征与转子径向位移及轴承座加速度信号对比分析,确定了碰摩部件;从而证明基于声振信号EMD分解的碰摩故障诊断方法的有效性。     

结合改进单胞模型的单钉双剪层合板螺栓连接结构挤压性能的多尺度表征分析

为提高螺栓连接层合板结构的可靠性和承载能力,基于ABAQUS软件及用户子程序(USDFLD),结合改进的单胞模型,建立了考虑组分材料失效的多尺度数值模型。利用该模型表征分析了单钉双剪层合板螺栓连接结构的力学性能,研究了铺层形式及几何尺寸对连接结构性能的影响。该模型的预报结果与试验结果吻合较好。结果表明:准各向同性层合板螺栓连接结构的挤压强度高于正交各向异性层合板连接结构的挤压强度,前者的失效模式为挤压失效,后者为剪出失效,该模式导致结构承载能力降低,设计中应避免。层合板边径比大于3时,不同宽径比连接结构的挤压强度趋近稳定值;但相同边径比的连接结构,其挤压强度随宽径比的增大而增大,连接结构设计时应给予考虑。      

三维六向编织复合材料单剪搭接连接结构在拉伸载荷下的力学性能

通过试验测试与数值模拟相结合的方法对三维六向编织复合材料的螺栓连接性能进行了研究。首先,通过拉伸试验对不同侧向约束螺接方式连接件的连接强度进行了测试。测试结果表明:单搭连接结构的二次弯曲现象明显,连接强度与侧向约束有一定的关系,使用垫片可有效提高连接强度,螺栓拧紧力矩增加对连接强度影响不大;连接结构的破坏模式包括挤压破坏和拉伸破坏,在孔径较小时其主导破坏模式是挤压破坏。随后,基于测试中发现的破坏模式,建立了基于点应力准则的分析模型,并使用升温法实现螺栓拧紧力矩的施加。通过数值结果与试验结果的比较验证了分析模型的可靠性。最后,利用得到验证的分析模型,分析了单搭连接的二次弯曲现象,获得了侧向约束面积、螺栓拧紧力矩及连接平板厚度对单搭单螺栓连接结构力学性能的影响规律。分析结果表明:当侧向约束应力增加时,连接强度表现为先增加后降低的规律。     

螺栓与孔间隙对单搭单螺栓连接板模态频率的影响

由于装配需要或者制造误差等因素的影响,连接板的螺栓与螺栓孔之间不可避免地存在间隙,而且间隙的变化对连接板的模态频率有一定的影响。通过研究螺栓与孔间隙对单搭单螺栓连接板模态频率的影响机制,讨论一种基于变通孔直径的螺栓连接动力学设计方法。首先,基于ABAQUS软件和Python语言,建立了包含变通孔直径的单搭单螺栓连接板有限元计算模型;然后,探讨了螺栓连接板在一端固支、两端固支两种边界条件下螺栓与孔间隙变化对连接板模态频率的影响机制;最后,提出了一种基于变通孔直径的螺栓连接板动力学设计方法。结果表明:当通孔直径为螺栓直径的1.02~1.20倍时,通孔直径的变化对螺栓连接板各阶固有频率的影响可忽略;通孔直径大于螺栓直径的1.21倍时,其变化对连接板模态频率有明显的影响,且影响程度各异。研究表明在特定激励环境下可通过改变通孔直径来改变系统模态频率,从而避免结构共振。该方法为螺栓与孔间隙对复杂螺栓连接系统固有频率的影响分析提供了参考,也为螺栓连接系统的抗振疲劳设计问题提供了思路。     

基于连续损伤力学的复合材料单剪螺栓连接强度估算策略

针对中国缺少T800级复合材料螺栓连接设计参数的问题,发展一种综合连续损伤力学（CDM）和工程算法的单剪连接强度估算策略,以替代试验,降低研究周期和成本。在该强度估算策略中,首先建立试件的CDM有限元模型,通过数值模拟得到单剪螺栓连接的设计参数,包括单剪挤压强度修正系数、无缺口层合板拉伸强度和应力集中减缓因子等。随后根据上述参数,建立工程算法,估算复合材料单剪螺栓连接的最终挤压强度。结果表明:通过该策略得到的T800级复合材料螺栓连接设计参数和强度估算结果与试验结果有较好的一致性,说明该强度估算策略的可行性。      

金属结构中螺栓联接的疲劳设计

本文论述了金属结构中螺栓联接抗疲劳设计的必要性，介绍了受轴向变载荷作用的螺栓联接载荷计算及疲劳设计的方法，并用实例进行了分析论证。     

A novel predictive model for mechanical behavior of single-lap GFRP composite bolted joint under static and dynamic loading

Mechanical connection of composite is critical due to its complicated meso-structure and failure mode, which has become a bottleneck on reliability of composite material and structure. Although many researches on composite bolted joints have been carried out, the theory and experiment on mechanical behavior of such a joint structure under dynamic loading were rarely reported. Here, we propose a novel predictive model for quasi-static and dynamic stiffness of composite bolted joint by introducing the strain rate dependent elastic modulus into the mass spring model. Combined with the composite laminate theory and Tsai-Hill theory, the present model was capable of predicting the strain rate dependent stiffness and strength of the composite bolted joint. Quasi-static and impact loading experiments were carried out by Zwick universal hydraulic testing machine and split Hopkinson tension bar, respectively. The stiffness and strength predicted by our model showed good accordance with the experiment data with errors below 12% under quasi-static loading and below 30% under impact loading. The results indicated that under impact loading, stiffness and strength of the composite bolted joint were significantly higher than their quasi-static counterparts, while the failure mode of the joint structure trended towards localization which was mainly bearing failure. Among various lay-up ratios studied, the optimal lay-up ratio for quasi-static and dynamic stiffness was 0:±45:90 = 3:1:1.     

基于薄层单元的螺栓连接结构接触面不确定性参数识别

提出了一种螺栓连接接触面不确定性参数识别方法,首先采用薄层单元对接触面进行参数化,然后根据不确定性识别方法识别薄层单元参数。以四螺栓搭接结构试验模型为研究对象,开展接触面不确定性参数识别方法仿真研究。采用Monte-Carlo方法构造待识别参数真实值样本,代入基准有限元模型中计算获得具有统计意义的仿真试验数据;采用不确定性参数识别方法预测薄层单元参数均值与标准差,仿真结果表明:该方法能够较为准确的模拟接触面法向和切向接触刚度,并显著提高连接结构的建模效率,建立反映真实结构动态性能统计特征的有限元模型。     

Preparation and thermodynamic analysis of the porous ZrO2/(ZrO2 + Ni) functionally graded bolted joint

Ceramic–metal functionally graded materials (FGMs) have been extensively used in aerospace engineering where high strength and excellent heat insulation materials are desired. In this paper, the thermodynamic behavior of the Thermal Protection System (TPS) used bolted joints made up of porous ZrO₂/(ZrO₂ + Ni) FGMs is investigated by finite-element (FE) modeling. The bolted joint is subjected to reentry heating corresponding to the Access to Space Vehicle. Thermodynamic simulations are carried out to yield the transient response of the porous ZrO₂/(ZrO₂ + Ni) functionally graded bolted joint (FGBJ). The effects of the preload on the thermomechanical behavior and service reliability of the bolted joint are numerically analyzed in detail by ABAQUS codes. It is found that the preload relaxation of the bolted joint occurs at elevated temperature, and the preload has significant influence on service reliability of the bolted joint under transient thermomechanical circumstances. With the increase of the preload, stress concentration which occurs at the root of the first thread of the bolt increases rapidly and predominates in service reliability. Proper preload is thus defined to balance the service reliability and tightness of the bolted joint. Further studies show that the shape of the nut has a great effect on the stress concentration of the thread, the optimized nut is designed to reduce the stress concentration of the thread, and thus the reliability of the bolted joint is also improved.     

螺栓接头非线性模型及其波能耗散

建立了在高频情况下一维构件的波传播模型，针对工程中常见的螺栓连接梁结构，讨论了波在其中传播的特性及能量耗散问题，提出了一种简化的非线性接头模型。分析与实验结果表明：这种非线性模型更能接近实际。波通过梁的螺栓连接时，存在着能量耗散，螺栓松紧程度对能量耗散有较大的影响。在共振频率处，连接部分发生较大的折射。