压电阻抗技术用于智能螺栓的实验研究

针对工程结构中的螺栓连接件易松动的问题,进行了基于压电阻抗技术(EMI)的螺栓松动监测实验。实验将锆钛酸铅压电陶瓷材料(PZT)直接粘贴在螺栓和螺母上,通过万能试验机对螺栓施加不同的拉力来模拟螺栓预紧力的变化,采用精密阻抗分析仪提取不同螺栓和螺母上压电材料的导纳信号,引入基于电导纳的均方根偏差(RMSD)损伤指标,建立螺栓松动程度和预紧力之间的对应关系。试验结果表明,不同型号的螺栓和螺母上安装的压电材料都可以感知预紧力的变化;得到了损伤指标(RMSD)和预紧力之间的定量对应关系;通过分析损伤指标和预紧力之间的关系可得到螺栓的松动情况,并且可直接定位松动的螺栓。研究表明基于压电阻抗技术的智能螺栓(智能螺母)可以实现松动自检测。     

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。     

横向振动下的螺栓连接松动分析

针对螺栓连接结构受横向载荷时的松动问题,建立横向载荷作用下的螺栓连接平板结构有限元模型,并考虑螺栓材料塑性影响,分别探究平板在横向载荷作用下螺栓的初始预紧力、载荷的幅值及频率对螺栓松动的影响。结果表明：初始螺栓预紧力增大,则振动过程中螺栓预紧力下降速度降低,对螺栓防松有利;载荷振幅是影响螺栓松动的主要因素,载荷振幅由0.2 mm增大至0.3 mm时,螺栓预紧力减小了40%;载荷频率对预紧力下降影响不明显。仿真结论与实验结果规律具有较好的一致性,从而验证了分析模型的有效性。     

基于虚拟材料模型的螺栓松动预测研究

螺栓连接在风力发电机等复杂装备中得到了广泛应用。设备的工作载荷及机械振动会引起螺栓松动,导致螺栓连接失效,严重影响设备的正常运行。为此,以海上风力发电机塔筒连接螺栓为研究对象,建立了螺栓结合面连接刚度模型,进行了塔筒法兰连接螺栓的松动状态预测研究。首先,建立了螺栓结合面刚度,通过虚拟材料模型对其进行了表征,探究了预紧力对虚拟材料层模型的影响特性,为有限元模型提供了参数;然后,通过力锤实验,并结合实测数据建立了高精度的有限元模型;最后,通过法兰连接件的前10阶扭转、弯曲固有频率,以任意两阶模态的频率变化平方比、预紧力变化前后频率相对变化比分别作为螺栓定位、定量指标,进行了螺栓松动预测。研究结果表明：随着预紧力的增加,固有频率呈现逐渐增大的趋势,但灵敏度稍有下降;通过对螺栓松动测试结果的统计可得,螺栓松动定位识别精度达到95.24%;单、多螺栓预紧力下降程度定量精度分别为93.4%、90.2%;基于虚拟材料模型的螺栓松动预测方法具备精度高、通用性强的特点,可为螺栓连接的数字孪生实时监测提供重要参考。     

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。     

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。     

法兰螺栓横向微动磨损试验研究

为了研究法兰联接螺栓在横向振动的松动机理,借助于横向振动疲劳试验机进行模拟紧固件横向微动磨损试验,进而观察螺栓联接在不同的横向载荷与频率作用下预紧力与预紧力矩衰退过程,并测量其磨损量和表面损伤情况。实验结果表明:螺栓预紧力下降分为两个阶段;实验初期预紧力下降迅速的塑性形变阶段和预紧力下降缓慢的微动磨损阶段。预紧力矩下降分为三个阶段:第一阶段由于较高的局部接触应力,预紧力矩下降不明显;第二阶段由于塑性形变扩大,预紧力矩迅速下降;第三阶段螺栓进入微动磨损阶段,预紧力矩开始缓慢下降。螺栓在低频振动下,质量变化量对于频率微小的变化不敏感。螺栓与夹具接触的表面磨损情况随着交变幅值载荷增加而增加;随着频率的增加而减小。     

预紧力对夹心式弯曲振动换能器振动特性的影响

由于理论计算的复杂,在夹心式弯曲振动换能器理论计算时通常不考虑螺栓预紧的影响,这样将导致理论设计出的换能器与实际换能器的振动特性存在偏差。以螺栓预紧的夹心式弯曲振动换能器的振动特性为研究对象,首先忽略螺栓作用计算得到换能器几何尺寸,然后利用有限元软件ABAQUS建立模型,考虑螺栓作用修正理论计算值,并对夹心式弯曲振动换能器在不同预紧力下进行模态仿真。分析夹心式弯曲振动换能器在施加不同螺栓预紧力状态下共振频率,节点位置,重点分析前后盖板以及压电陶瓷的相对应力分布,认为预紧力变化对频率影响较小,节点位置没有影响,但对换能器前后盖板以及陶瓷片应力集中影响较大。预紧力作用很大程度上影响夹心式弯曲振动换能器的阻抗值,通过阻抗分析仪测量不同预紧力情况阻抗值,发现阻抗值随预紧力的增大而减小。由此可根据换能器阻抗特性及应力集中情况得出夹心式弯曲振动换能器最佳预紧力的值。     

导弹支撑座连接螺栓松动故障诊断的实验研究

针对某导弹支撑座在环境激励下易引发连接螺栓松动这一具体问题,在支撑座模型结构的宽带随机振动实验的基础上,探讨了实验中的问题,根据支撑座连接螺栓在不同预紧力情况下的结构稳态响应信号,分析了信号功率谱特征的差异,提出了相应的谱矩松动故障特征的提取方法。分析结果表明,谱矩因子的降低作为该结构连接螺栓松动的诊断特征是可行的。     

基于阻抗测量的机械架构件损伤评价

对大型机械设备的机械架构件进行快速诊断和损伤检测,经济价值和效益明显。本文以机械架构件中铝梁的紧固螺栓扭矩松弛作为损伤例子,通过对机械架构件阻抗应答的实验测量,提出了阻抗波峰频率移动量ΔF及波峰振幅变化率δ二种损伤评价指标方法。同时通过实验测定分辨率对评价指标及结果基本无影响。     

Time-domain analysis of piezoelectric impedance-based structural health monitoring using multilevel wavelet decomposition

A new approach to analyze the response from a piezoelectric wafer in an impedance-based structural health monitoring (SHM) method is proposed. It is shown that the time-domain response of a piezoceramic wafer provides information on the electromechanical impedance (EMI) variation when a monitored structure is damaged. Practical analysis was carried out using wavelet transform in two different levels. This approach simplifies EMI based SHM and the results show that it is more sensitive to damage than methods based on impedance measurements in the frequency domain. The efficiency of this new approach is demonstrated through experiments using an aluminum plate. The piezoelectric wafer was excited using a chirp signal and its response was analyzed using both frequency response functions (FRF) and the proposed method. The results confirm that this new approach is more sensitive to detect damage than FRF based methods.     

载荷影响下的机电阻抗协整结构损伤识别方法

高频机电阻抗(electromechanical impedance, 简称EMI)方法利用粘贴在结构表面的压电传感器(piezoelectric transducer, 简称PZT)进行主动激励，通过连续监测和分析PZT机电导纳信号的变化评估结构的健康状态；然而EMI方法容易受到环境工况变化的影响，导致结构损伤的误报。针对此问题，采用时间序列协整方法处理及消除结构工作载荷对阻抗谱特征信号的影响。该方法是基于结构动荷载作用下PZT阻抗谱导纳信号的非平稳特征，将动荷载影响下的阻抗谱非平稳时间序列经线性组合变换成平稳时间序列，根据得到的协整余量序列有效判断结构的健康状态。为验证该方法的有效性，开展了动应力影响下铝梁结构的螺栓松动损伤识别实验。结果表明，协整消除了动态应力对EMI方法的影响，当铝梁内存在持续变化的应力时，仍可以准确识别螺栓松动。机电阻抗协整方法能够消除结构健康监测中荷载作用的影响，及时准确地进行结构损伤识别。     

辐射场型压电振子的谐振特性研究

介绍了一种新型的辐射式场压电薄膜.采用有限元软件ANSYS建立辐射场螺旋电极振子有限元模型,仿真压电振子的横向振动响应.通过分析振子的谐振响应,获得了螺旋型电极参数对压电振子谐振频率的影响规律.利用阻抗分析仪对辐射场型螺旋电极压电振子的谐振频率进行了实验测试,并与仿真结果进行了对比,两者基本吻合,验证了有限元模型的可靠性.此外,研究结果表明,采用直径较大的PZT,可以明显减低振子的谐振频率,且在相同的激励下,获得的应变较小.     

Estimation for bolt fastening conditions of thin aluminum structure using PZT sensors

This work presents a study on PZT impedance-based method, it is one of the NDT(Non-Destructive Technique). We study about assessment of the square-structure health condition by impedance-based technique using PZT patches, associated with longitudinal wave propagation. Health conditions of the square-structure controlled by bolt fastening condition is adjusted by torque wrench. In order to estimate the damage condition numerically, we suggest the evaluation method of impedance peak frequency shift.     

刀具负载对蜂窝复合材料超声切割声学系统阻抗特性的影响

针对刀具负载对蜂窝复合材料超声切割声学系统的影响,利用四端网络法,将压电换能器与变幅杆结合在一起,提出了声学系统的整体设计方程,得出了负载与声学系统阻抗特性的关系式。利用有限元软件对声学系统进行模态分析及谐响应分析,并利用阻抗分析仪和激光位移传感器对声学系统的阻抗﹑谐振频率和输出振幅进行检测。仿真和实验结果表明：随着刀具负载的增大,声学系统的阻抗值增大,谐振频率减小,但仿真与实验得出的输出振幅与理论分析不同,这是由于刀具的放大作用造成的。研究结果对声学系统的设计及实际应用有指导意义。     

横向载荷作用下螺栓连接松动过程研究

针对横向载荷作用下的螺栓连接松动过程开展研究，给出了面向螺栓松动仿真的建模方法，分析了循环往复载荷作用下接触状态与残余预紧力的变化规律，并研究了载荷作用位置、幅值和频率对螺栓连接松动的影响。分析结果表明：在横向循环载荷作用下，残余预紧力出现交替的上升与下降；螺纹接触面先于螺头承压面进入滑移状态；横向载荷作用在上板或下板对松动没有影响；载荷幅值是影响松动的主要因素，载荷幅值越大松动越容易发生，而加载频率对松动影响较小。本研究分析结果与Junker试验结果一致性良好，可推广到复杂载荷条件下的应用。     

Hg2I2声光器件中换能器电输入阻抗的研究

利用压电换能器等效电路网络分析法，计算了以环氧树脂为缓冲层(粘接层)的x-cut LN／Hg2I2声光器件中换能器三层和五层结构的换能器规一化电输入阻抗|Zi|随归一化频率f／fo的变化值，绘出了|Zi|-f／fo关系立体图。得出器件的输入阻抗是射频频率复杂的复数函数及在不同频率段分别呈现感抗和容抗特性的结论。     

排油烟通风复合消声技术的研究

进行了排油烟噪声的频谱分析，研制出一种可防油烟雾、降噪性能好(插入损失达31．8～33．9dBA)、耐高温、使用寿命长的排油烟通风复合式消声器。该技术经过两年的实际应用证明，降噪能力强，效果稳定，解决了同时降噪和排油烟的难题，是一项值得推广的技术。