螺栓松动故障监测实验研究综述

螺栓连接结构在工程领域中应用广泛,比如：土木、机械、航空航天领域。然而螺栓连接结构在实际工况下,承受交变载荷,难免会发生松动、折断等一系列故障,造成巨大的经济损失,甚至会造成人员伤亡。因此,针对螺栓连接结构的松动检测与状态监测开展实验研究是十分必要的,有大量学者对此进行了研究,采用不同的方法,搭建了不同功能、类型的实验台,这里就典型的螺栓松动故障监测实验研究进行综述,系统介绍了基于导波技术、振动技术、压电阻抗技术以及一些其他技术的螺栓松动故障监测实验研究,并且对所采用的实验台进行了归纳总结。最后,给出了实验研究方向与技术的一些展望。这里将为螺栓松动监测的实验研究提供参考,并进一步促进理论研究在工程实际中的应用。     

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。     

主动Lamb波合成波阵面损伤成像监测方法

对基于压电阵列的主动Lamb波结构健康监测技术进行了研究.分析了主动Lamb波损伤监测过程中损伤散射信号的特点,在已有研究成果基础上,研究提出合成波阵面损伤成像方法.利用压电阵列合成激励波阵面实现对Lamb波损伤散射信号的相干增强,给出了基本原理和实现技术;结合时间反转理论,给出了基于合成波阵面激励的损伤成像监测方法;在复合材料板结构上进行了实验研究,并与传统的单一压电片激励方法进行了分析和对比,实验结果表明,合成波阵面损伤成像监测方法能够有效提高Lamb波损伤散射信号的能量和监测的质量,增强抗干扰能力,同时对该方法存在的问题和解决办法进行了简单分析.     

基于Lamb波时间反转法的复合材料损伤检测

为检测复合材料损伤,利用Lamb波时间反转法的聚焦特性,在复合材料布置压电传感器激励和接收Lamb波.时间反转法无需对比基准信号就能快速准确地实现损伤的判别,提出的改进损伤成像方法可实现损伤情况可视化.实验研究验证了检测方法的有效性和改进损伤成像方法的优越性.     

Lamb波时间反转分解损伤识别方法研究

基于主动Lamb波的结构健康监测和损伤检测是目前研究的热点之一。时间反转分解方法利用发射-接收阵列可以选择性地分别聚焦定位各个散射体.由于Lamb波传播的频散和多模式特性,导致了Lamb波时间反转传递矩阵的不对称性。基于压电激励Lamb波传播过程,分析研究了Lamb波时间反转传递矩阵显著特征值数目与散射体数目的关系,进行了Lamb波传播与损伤检测的实验研究,利用Lamb波A0和S0模式传播解析解数值反向传播,定位板中各个散射体。实验结果表明了Lamb波时间反转分解损伤识别方法的有效性,能够有效识别并定位结构损伤。     

基于Lamb波时间反转的复合材料结构损伤监测

采用Lamb波时间反转法,对复合材料结构进行在线连续健康监测。利用板中Lamb波时间反转法的原理和自聚焦特点,运用时间反转方法,通过传感器网络的布置,激励并接收Lamb波,从而对复合材料结构实现损伤监测。该方法无需结构无损情况的基准信号,能够对有损结构进行快速的损伤定位及损伤大小判断。采用改进的RAPID算法进行损伤成像,得到的损伤图像可将损伤情况可视化。实验研究表明所提方法可行和有效。     

Lamb波时间反转分解损伤识别方法研究

基于主动Lamb波的结构健康监测和损伤检测是目前研究的热点之一。时间反转分解方法利用发射-接收阵列可以选择性地分别聚焦定位各个散射体.由于Lamb波传播的频散和多模式特性,导致了Lamb波时间反转传递矩阵的不对称性。基于压电激励Lamb波传播过程,分析研究了Lamb波时间反转传递矩阵显著特征值数目与散射体数目的关系,进行了Lamb波传播与损伤检测的实验研究,利用Lamb波A0和S0模式传播解析解数值反向传播,定位板中各个散射体。实验结果表明了Lamb波时间反转分解损伤识别方法的有效性,能够有效识别并定位结构损伤。     

基于Lamb波的复合材料结构损伤成像研究

本文基于Lamb波和时频分析方法，提出了一种损伤成像方法，对复合材料结构进行在线的连续监测。首先通过高阶板理论建立了Lamb波在各向异性复合材料层板中随传播角度变化的频散关系，得到Lamb波的理论速度分布，为损伤成像提供基准信息；然后采用小波变换对由压电传感元件激励和接收的Lamb波信号在时频域进行分析，提取特征信息，得到散射波的能量分布；在此基础上通过考虑各向异性对Lamb波传播速度的影响，将散射波的能量分布与各个像素点的对比度关联起来，得到损伤的图像，将损伤的情况可视化。同时建立了原型结构健康监测系统，实验研究表明了本文所提出方法的可应用性和有效性。     

方向性损伤的Lamb波压电线阵扫描成像与评估

对方向性损伤的Lamb波定量监测与评估方法进行了研究,采用了线性压电阵列布置方法,基于传感阵列各阵元捕获到的Lamb波损伤散射信号之间的相位情况,扫描方向性损伤反射信号的相位延迟信息,实现损伤和方向中心位置的判定。根据判定损伤方向,通过线阵旋转处理,研究改进了时间反转损伤成像评估方法,实现对方向性损伤的成像和评估。在铝板结构上的实验研究表明,该方法可以实现对损伤方位和尺寸的定量评估,较现有成像方法具有更好的抗干扰性和准确性。     

基于 Lamb 波的数据传输与缺陷检测同步实现方法

在结构健康监测领域,超声导波相对于体波具有传输距离远、覆盖范围大、检测成本低的优点。提出了一种基于Lamb波的数据传输与缺陷检测同步实现方法,实现了超声系统的多功能复用。通过理论仿真与扫频实验验证了Lamb波模态调制理论,使用压电晶片主动传感器在铝板上以500 kHz的中心频率激发出S₀模态Lamb波进行数据传输和缺陷检测。针对Lamb波边界反射引起的码间串扰问题,采用移不变稀疏编码方法进行信息恢复,在具有反射边界的铝板上成功实现100 kbps的信息传输速率,并且误码率为0。同时,利用移不变稀疏编码中的原子信号进行结构缺陷检测,根据合成孔径聚焦技术实现了缺陷的准确定位,定位误差小于0.2%。     

结构裂纹损伤的Lamb波层析成像监测与评估研究

结构健康监测研究中,板壳类结构裂纹损伤监测一直是研究的热点。采用基于相关性分析的概率损伤重构算法(Reconstruction algorithm for probabilistic inspection of damage,RAPID),对结构裂纹损伤监测进行研究。利用RAPID算法中采用信号之间的差异性进行损伤识别和重构,克服了Lamb波复杂多模传播特性对信号分析的影响。在此基础上提出一种改进的RAPID算法,根据裂纹损伤对Lamb波监测信号的反射及散射作用,通过校正损伤区域中裂纹方向上的信号差异系数值(Signal difference coefficient,SDC),强化裂纹方向上的重构图像信息,实现对裂纹损伤的图像重构,并由接收端SDC分布图评估出裂纹的长度。试验结果表明,该方法能较为准确地实现对裂纹损伤的直观图示,重构出的裂纹层析图像能很好地反映裂纹的信息,实现方向及长度的评估,可用于对裂纹损伤的定量评估和扩展监测。     

主动Lamb波中的空间滤波器结构健康监测

针对主动Lamb波结构健康监测技术在应用中容易受到Lamb波复杂传播特性的影响,监测信号的信噪比较低的问题,提出了空间滤波器方法的基本原理和实现方法,利用压电线阵得到传感信号之间的相干性,实现对有用信号的相干聚焦增强,监测损伤位置并成像,能够实现对特定方向的扫描.分析了空间滤波器的基本原理,给出了用于离散压电线阵的空间滤波器实现形式,并对该方法进行了试验研究,在碳纤维板结构上的试验结果表明,该方法可以有效实现损伤散射信号的聚焦增强,成像突出显示损伤所在方位和位置,提高信号的信噪比,具有一定的工程应用价值.     

主动Lamb波健康监测系统设计及应用

本文对主动Lamb波技术的监测原理和监测系统进行了系统论述,构建了一整套Lamb波监测系统,对铝板结构上的裂纹损伤进行了定位检测,证明了该套系统的有效性.本研究为主动Lamb波技术的现场应用提供了数据支撑.     

螺栓松动损伤的亚谐波共振识别方法

螺栓松动将导致结构完整性的破坏,螺栓连接状态的实时有效监测和评估具有重大意义。提出了一种基于亚谐波共振分析的螺栓松动识别方法。针对螺栓连接结构简化的单自由度非线性模型,采用多尺度方法分析了亚谐波共振现象,定性模拟了螺栓松动损伤亚谐波激励条件。以铝梁螺栓搭接结构为实验对象,利用粘贴在铝梁表面的压电作动/传感单元,采用不同频率的激励信号作用在作动片上,传感片接收响应信号,对其进行频谱分析,通过提取响应频谱中的亚谐波成分进行螺栓松动损伤识别。仿真与实验结果表明,亚谐波产生所需激励频率在两倍固有频率附近,使用亚谐波检测方法能有效识别螺栓松动。     

基于VMD-MD的输电铁塔螺栓松动检测方法

针对输电铁塔局部螺栓松动,给出了一种基于变分模态分解（VMD）与马氏距离（MD）相结合的检测方法。首先,对脉冲激振下的输电铁塔振动响应信号进行VMD分解,并通过互相关指数重构信号,提取关键频段信息;其次,对重构信号提取故障敏感特征构成特征向量,利用MD对工况进行判别,针对现场实验随机性强的特点,采用随机抽取的方法重构测试集,有效提高了判别效果;最后,利用本文提出的方法对铁塔局部测点敏感度进行分析,为现场铁塔局部螺栓松动检测做出探索。     

基于机器视觉的螺栓松动旋转角度测量

螺栓松动检测对于保障钢桥的正常安全运营十分重要,现有的螺栓松动检测方法由于存在效率低成本高等缺点而难以被广泛应用.为提高钢桥中螺栓松动检测的效率并降低成本,提出一种基于机器视觉技术的螺栓松动旋转角度测量方法以检测螺栓松动,包括以下四步:图像获取、图像预处理、螺栓特征提取和角度计算.首先,使用消费级相机在螺栓附近从任意角...     

螺栓松动应变频响模型修正识别方法

为了有效识别工程结构中的螺栓连接松动,防范结构连接失效风险,以应变频响函数（SFRF）作为响应特征指标,提出了一种基于模型修正思想的螺栓连接结构松动识别方法。对含4个螺栓连接的搭接板结构,采用薄层单元描述螺栓连接,分别提取仿真模型和松动损伤结构模型螺栓连接位置的应变频响曲线,拾取频响曲线的特征点并构造目标函数。采用拉丁超立方抽样和径向基函数近似方法,构造了连接参数和目标函数之间的代理模型关系。基于模型修正思想,采用遗传算法对目标函数进行优化,识别模型中连接参数值。通过比较模型的初始连接参数和识别出的参数值,可定量描述结构松动损伤。数值算例结果表明,薄层单元有限元建模方式能较准确地模拟螺栓连接特性,使用代理模型可提高搜索效率,能有效识别螺栓连接结构的松动程度。     

基于高斯混合模型的流程工厂设备集相似度计算

为了对流程工厂设备集之间的相似性进行度量,提出一种基于高斯混合模型的相似度计算方法。该方法从设备数量和设备构成两方面进行计算,再将二者结合起来得到统一的相似度指标。对于设备数量,利用Jaccard系数思想进行计算;对于设备构成,先通过分类树将设备集映射成二维坐标空间中的点集,再用高斯混合模型描述点集分布规律,最后基于高斯混合模型间的JS(Jensen-Shannon)散度计算相似度。通过流程工厂专家的评级打分及对设备工艺作用的分析,验证了计算结果的合理性和有效性。     

考虑波形修正的Lamb波时间-距离域映射方法

针对传统时间-距离域变换方法容易使频散补偿后的Lamb波信号波形发生畸变的问题,提出一种考虑波形修正的时间-距离域映射(TDDM)方法并用于Lamb波高分辨率多损伤成像中.首先分析了Lamb波频散特性对传感信号的影响,然后研究了TDDM方法的频散补偿原理,并对TDDM的实现进行了讨论,在讨论中给出了时间-距离域变换方法扰乱信号波形的原因.提出了基于TDDM的Lamb波高分辨率多损伤成像方法.并通过实验证明了所提方法的有效性.