基于缺陷局部共振内调制机理的复合材料平板损伤识别

相比利用谐波和调制信号的非线性超声无损检测方法,损伤局部共振内调制效应可以大幅增强损伤界面间的非线性行为,且其利用激励频率与损伤局部共振频率间进行调制,输入信号得到简化。当激励信号满足特定的频率条件时,材料的缺陷和损伤局部在超声激励的作用下会产生共振,导致响应信号中出现幅值增强的倍频、超谐波、亚谐波以及激励频率与局部共振频率间的内调制现象。针对损伤局部共振效应构造单自由度非线性模型,并运用多尺度法进行分析,分别考虑平方、立方刚度非线性,推导局部共振内调制现象产生的机理。进行碳纤维复合材料板冲击损伤局部共振调制损伤识别实验分析,验证理论模型分析结果以及缺陷局部共振内调制非线性损伤检测方法的可行性。结果表明,利用缺陷局部共振内调制效应可以有效地识别复合材料板的冲击损伤。     

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。     

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。     

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。     

基于高频动态特性的点阵结构损伤识别研究

针对轻质点阵结构中的脱焊损伤,文中采用高频动态响应特性分析方法,通过测量损伤局部处的共振响应,直接对脱焊点进行定位。基于数值方法计算模拟了轻质点阵结构的高频响应,研究了含多个脱焊损伤的点阵结构在高频段内的固有频率和固有振型。结果显示,损伤处将产生明显的局部共振。在实验验证中提出了采用压电片的宽频激励方式,结合扫描式激光测振仪全场测量,计算得到结构在激励频段的频响函数。通过分析频响函数峰值频率对应的固有振型,准确识别出损伤位置。数值与实验研究结果均表明,对轻质点阵结构的高频响应特性进行模态参数识别,可有效识别定位脱焊损伤。     

识别疲劳裂纹损伤的瞬时基准方法研究

传统的基于超声导波的结构健康监测及损伤识别方法是通过对比当前测量信号与结构完好时的基准信号进行损伤识别,但这类基准信号对工况及环境变化十分敏感。为降低对这类基准信号的依赖,提出了一种基于瞬时基准的疲劳裂纹损伤识别方法。利用疲劳裂纹在不同幅值激励下不同的超声非线性特性,以小幅值激励下结构响应为瞬时基准信号,以大幅值激励下结构响应为当前信号,使用比例相减法提取当前信号与瞬时基准信号间的差信号,对疲劳裂纹损伤进行识别。分别以完整铝梁及疲劳裂纹铝梁为实验对象,使用压电片激励和接收应力波信号。实验结果表明,该瞬时基准方法可有效识别疲劳裂纹损伤,而无需结构完好时的基准信号。     

基于小波包-神经网络方法的支撑座连接螺栓松动损伤诊断的实验研究

在某导弹支撑座模型宽带随机振动实验的基础上,针对其连接螺栓松动所产生的支撑座结构响应的非平稳特性,采用小波包分析的方法得到缩减的信号特征;然后利用BP神经网络的模式分类功能,进行了螺栓松动程度的损伤识别研究。实验结果表明,小波包结合神经网络的方法可以有效地识别该支撑座连接螺栓的松动程度。     

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。     

基于非线性超声调制的疲劳裂纹识别方法

由于应力作用、撞击以及周期载荷等因素的影响,金属结构中不可避免地产生疲劳裂纹损伤。若结构存在边界非线性,传统的非线性调制方法将无法有效识别疲劳裂纹损伤。针对该问题,提出一种能够避免边界非线性干扰的非线性超声调制方法。该方法采用正弦脉冲信号和持续正弦信号作为激励,通过识别信号之间的非线性调制现象来进行损伤检测。分别以铝制裂纹梁和完整梁为实验对象,粘贴两个压电片作为作动器和传感器,利用短时傅里叶变换对响应信号进行时频分析,提取非线性调制信号成分,对疲劳裂纹损伤进行有效的识别。     

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。     

螺栓松动边界下纤维增强复合薄板固有特性分析

通过人工弹簧刚度法对螺栓松动边界下纤维增强复合薄板的固有特性进行了分析。首先,为了研究螺栓松动边界的影响,人为地在复合薄板的约束端引入多组弹簧来模拟不同程度的螺栓松动边界,并建立了此类型边界下复合薄板的理论模型。然后,采用正交多项式法建立薄板自由振动的振型函数,并通过Ritz法对方程进行求解,计算此边界下薄板的固有频率和模态振型,给出具体的计算流程。最后,设计并组配了带有预埋压力传感器的螺栓松动边界下复合薄板的振动测试系统,准确测试了螺栓松动不同程度边界下对应的固有频率和模态振型,将实验结果与理论分析结果进行对比,发现两者的振型形态基本一致,其固有频率的误差在0.08%~7.54%之间,属于误差允许的范围,从而验证了所提出方法的可行性。     

基于模型的螺栓松动状态监测方法

基于现有的模型损伤识别技术,提出了一种两阶段的螺栓状态长期在线识别方法:第1阶段识别螺栓连接中是否存在扭矩降低,设定了基于模态应变能的新损伤指标,并讨论了螺栓松动中非线性的表现;第2阶段识别松动螺栓的残余扭矩,以试验测得的前3阶局部振型,通过灵敏度修正识别螺栓连接中BEAM单元的弹性模量,建立了螺栓残余扭矩与BEAM单元弹性模量之间的对应关系;最后,使用两块通过螺栓连接的矩形钢板验证了该方法的有效性。试验结果表明,该方法能够快速识别出扭矩的降低,并识别其残余扭矩值是否已低于安全范围。     

温变工况下螺栓松动检测的独立成分分析方法

导波损伤检测技术的关键在于检测出结构损伤引起的导波信号变化,但环境温度变化也会影响导波传播过程,引起信号改变,导致损伤检测的失败。为了消除温度变化的影响,笔者采用独立成分分析(independent component analysis,简称ICA)方法处理导波响应信号。作为一种盲源分离的算法,ICA能够从混合信号中提取得到独立的未知源信号分量。因此利用ICA方法能将导波的响应源信号从被温度变化干扰的混合信号中分离出来,实现消除温度变化干扰的目的。为验证该方法的可行性,以螺栓连接铝板为对象进行实验,采集不同温度下螺栓全紧及松动状态的导波响应信号,将其经过ICA方法处理后应用到损伤定位算法中。结果表明,应用ICA处理后的导波信号能够成功定位松动螺栓,证实了ICA方法排除温度变化对导波传播影响的有效性。     

系物弦在温度场中受简谐激励的亚谐共振研究

建立温度场中系物弦受简谐激励的数学模型,研究其亚谐共振规律.用伽辽金法得到系统的非线性振动方程.采用非线性振动的多尺度法求得系统亚谐共振的近似解,并进行数值分析.分析温度、阻尼、调谐值、激励幅值等参数对响应曲线的影响.给出1/3次亚谐共振存在非零解的条件.指出随着温度差的升高,系统的固有频率增加;随着阻尼的增加,幅频响应曲线向开口方向移动;随着调谐值的减小,响应曲线的振幅减小.力幅响应曲线的形状区别于经典的1/3次亚谐共振,是封闭的曲线.     

输流管道参数共振的试验研究

利用试验的方法研究两端固定输流管道在脉动内流作用时的参数共振特性,建立了一套输流管道试验系统,可以在定常流、脉动流和支承运动等情况下对悬臂、两端固定和两端铰支等多种边界条件的管道进行振动试验,同时给出了一些重要参数的有效测量方法。在对两端固定管道的试验中,重点观察和分析了第1振型1/2次谐波参数共振,并用试验的方法确定了相应的参数共振区域。将其与理论共振区域进行对比,二者在定性上得到了较好的吻合。     

转子支座松动故障的数值仿真与实验研究

根据工程实际情况,建立了轴承座地脚螺栓松动的力学模型, 采用Adiletta提出的非线性油膜力模型,利用Runge-Kutta数值积分方法进行数值仿真.最后利用转子模型实验台,对支座松动故障进行实验研究,采用三维瀑布图、轴心轨迹图和小波尺度图对故障信号进行了分析研究.     

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。     

静叶可调轴流风机振动分析及解决措施

风机是锅炉设备中最关键的辅机,风机如果不能安全稳定地运行,将导致机组发生非计划停运或减负荷运行。因此,迅速判断并解决风机的故障,是锅炉连续安全运行的保障[1]。在风机运行中,振动是引起风机故障的主要原因之一,风机的许多问题都是因振动引起,如裂纹、轴承损坏、螺栓松动等。当然,过大的振动本身也属风机故障。而造成振动偏大的基本原因主要有：叶轮不均匀磨损和积灰、联轴器损坏或中心不对中、轴承损坏或有缺陷、联结螺栓松动、支撑部件刚度不足等。本文以某电厂静叶可调轴流风机发生的振动为例,详细叙述了对可能引起振动原因的检测及相应的解决措施。     

螺栓连接悬臂梁超谐响应特性试验研究

针对光电设备中广泛采用的螺栓连接形式,采用单螺栓连接悬臂梁模型,对螺栓连接引起的结构振动特性的改变进行实验。利用激振器和振动信号采集设备,结合快速傅立叶分析方法指出螺栓连接模型在一定条件下有超谐共振响应现象。模型的谐振频率随着扭矩的增大呈先增大后减小的现象。结构在相同扭矩下,第一阶谐振频率随着激励幅值的增大而减小,结构呈渐软非线性。给定1/2和1/3倍谐振频率下的正弦激励,系统能量随着激励幅值的增大而趋向于固有频率处。结构在低预紧扭矩下,非线性项中二次项对结构响应起主要作用;在较高预紧下,非线性项中三次非线性项对结构响应起主要作用。该实验结果对开展后续连接结构的非线性振动特性的研究有一定的理论和指导意义。