CN110044534A - 一种螺栓预紧力检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种螺栓预紧力检测方法。该方法基于螺栓连接刚度理论，通过螺栓预紧力代理模型修正的方法，实现对螺栓预紧力的检测。具体实施过程可分为三步，首先，基于被测结构螺栓连接结构实际特点，建立螺栓预紧力与螺栓结合面连接刚度模型；其次，基于连接刚度模型计算螺栓预紧力对模态参数的作用规律，并基于神经网络建立螺栓预紧力代理模型；最后，基于人工鱼群优化算法，修正螺栓预紧力代理模型，实现螺栓预紧力检测。本发明基于螺栓预紧力对螺栓连接面刚度的影响作用规律，充分考虑到模态参数对连接刚度的敏感特性，基于连接刚度的变化实现对螺栓预紧力的检测，具有从多个螺栓中对预紧力发生变化的螺栓进行定位和定量评估预紧力变化程度的能力。

Description

一种螺栓预紧力检测方法

技术领域

本发明涉及结构状态检测及维护技术领域，尤其涉及一种螺栓连接预紧力检测方法。

背景技术

螺栓连接是一种重要的机械连接的方式，具有易于拆卸、方便安装等优点，但是受工作环境温度、振动等各类不可控因素的影响，在螺栓使用的过程中会发生螺栓的预紧力下降的情况，导致连接强度下降，如果这种预紧力的变化不能被及时的察觉，将会导致重大安全事故的发生，因此需要一种合理的方法来检测螺栓预紧力状况，保证螺栓连接安全可靠。现阶段，针对螺栓预紧力的检测方法主要有观测法或对每个螺栓都安装力或位移传感器，测量螺栓预紧力的变化，这些方法对螺栓数目较少的结构有一定的作用，但对于动辄上成百上千的大型螺栓连接结构存在检测时间长、检测成本高等缺点，因此需要一种全局的检测方法，用于评估全部螺栓的预紧力状态，保证螺栓连接结构安全可靠。动力检测是一种全局的损伤检测方法，具有检测整个结构健康状况的能力，近些年，一些基于结构动力学特性的损伤检测方法被逐渐提出，例如中国专利申请号为： 201010194235.0，发明名称为：一种结构损伤检测系统、设备及结构检测方法；中国专利申请号为：201610717721.3，发明名称为：一种细长复合材料的检测系统及检测方法等，以上方法均为对结构损伤的检测方法，还未涉及到螺栓预紧力的检测，分析其原因为螺栓预紧力对模态参数的影响机理尚不清晰，且螺栓预紧力动力学模型的建立较为困难，本发明从螺栓预紧力对螺栓结合面的连接刚度的影响规律出发，建立螺栓预紧力与螺栓结合面连接刚度模型，通过建立螺栓预紧力代理模型，并基于螺栓预紧力代理模型修正的方法，实现对螺栓预紧力的检测是本发明的主要创新点。

发明内容

鉴于螺栓预紧力损伤检测中存在的问题，受到基于动力特性的损伤检测方法的启发，本发明基于螺栓预紧力对螺栓连接面刚度的影响作用规律，将螺栓预紧力识别问题转化为对螺栓结合面的连接刚度的识别问题，充分考虑到固有频率参数对连接刚度的敏感特性，建立了螺栓预紧力与螺栓结合面连接刚度方程，通过修正螺栓预紧力代理模型的方法，实现对螺栓预紧力的检测。

一种螺栓预紧力检测方法，具体步骤包括：

第一步，基于被测结构螺栓连接结构实际特点，建立螺栓预紧力与螺栓结合面连接刚度模型；

第二步，基于连接刚度模型计算螺栓预紧力对固有频率的作用规律，并基于神经网络建立螺栓预紧力代理模型；

第三步，基于人工鱼群优化算法，修正螺栓预紧力代理模型，实现螺栓预紧力检测。

作为本发明的进一步优选方案，所述第一步的具有实施方式如下：

根据被测结构材料特性和螺栓连接表面分形特性，建立螺栓预紧力与法向连接刚度作用方程K_t(F)和切向刚度作用方程K_n(F):

其中，K_t表示螺栓连接面法向连接刚度，K_n表示螺栓连接面切向连接刚度， a_t和b_t表示法向刚度指数方程拟合系数，a_n和b_n表示切向刚度指数方程拟合系数，F表示螺栓预紧力。

作为本发明的进一步优选方案，所述第二步的螺栓预紧力代理模型包括螺栓预紧力位置代理模型和螺栓预紧力程度代理模型，所述螺栓预紧力位置代理模型的输入向量表示被测螺栓是否失效，输出向量表示相邻两阶固有频率的变化率，所述螺栓预紧力程度代理模型的输入向量表示被测螺栓的失效程度，输出向量表示固有频率。

作为本发明的进一步优选方案，所述第三步的代理模型的修正过程如下：

首先，修正螺栓预紧力位置代理模型，确定螺栓失效位置；其次，将螺栓失效位置信息传递至螺栓预紧力程度代理模型，针对位置失效的螺栓修正预紧力程度代理模型，实现对失效位置螺栓的具体失效程度的检测。

本发明采用以上技术方案，其主要创新点集中在以下几个部分，其一，将螺栓预紧力的识别问题转化为螺栓结合面连接刚度的识别问题；其二，针对螺栓预紧力定位和定量的检测的问题，分别建立螺栓预紧力的位置代理模型和螺栓预紧力程度代理模型；其三，基于模型修正的方法，分步修正螺栓预紧力位置代理模型和螺栓预紧力程度代理模型，最终实现对螺栓力的精确定位和定量评估。

附图说明

图1是本发明的方法流程示意图

图2是实施例中被测结构示意图

图3是螺栓结合面法向连接刚度随螺栓预紧力变化规律示意图

图4是螺栓结合面切向连接刚度随螺栓预紧力变化规律示意图

图5是螺栓预紧力代理模型示意图

图6是螺栓预紧力代理模型修正过程流程图

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例螺栓预紧力检测方法进行详细描述。

图1为本发明的方法流程图，该方法可以实现对多螺栓连接结构每个螺栓的预紧力的状况进行有效的检测，包括对预紧力失效螺栓的位置进行准确定位和对预紧力失效螺栓的程度进行准确评估。

如图1所示，该螺栓预紧力检测方法包括：

第一步，基于被测结构螺栓连接结构实际特点，建立螺栓预紧力与螺栓结合面连接刚度模型；

第二步，基于连接刚度模型计算螺栓预紧力对固有频率的作用规律，并基于神经网络建立螺栓预紧力代理模型；

第三步，基于人工鱼群优化算法，修正螺栓预紧力代理模型，实现螺栓预紧力检测。

本发明的基本原理如下所示：螺栓预紧力的大小会影响螺栓连接面的连接刚度，且存在随着螺栓预紧力增大连接刚度增大的变化趋势，根据实际计算结果，本发明将螺栓预紧力与连接刚度通过指数函数的形式表示。考虑到固有频率为对结构刚度变化较为敏感的量，因此本发明以固有频率的变化为特征量来表征螺栓连接刚度，通过前期推导的螺栓预紧力与连接刚度的关系，便可以实现固有频率对螺栓预紧力的表征，以上分析为通过固有频率表征螺栓预紧力的基本原理。在螺栓预紧力的识别过程中，本发明基于模型修正的基本理论，提出了螺栓预紧力代理模型，通过修正螺栓预紧力代理模型，使其输出固有频率与实测结构的固有频率最为接近，此时，螺栓预紧力代理模型的输入量所对应的螺栓预紧力即为被测结构的螺栓预紧力状态。

实施例的具体检测对象为螺栓连接的碳纤维增强环氧树脂复合材料单搭板结构，该结构通过5颗螺栓将两块碳纤维复合材料板连接在一起，具体结构形式如图2所示，为了方便区分螺栓，按照从左到右的顺序依次对螺栓编号为1号螺栓、2号螺栓、3号螺栓、4号螺栓和5号螺栓。

根据螺栓预紧力检测方法的第一步，建立螺栓预紧力与螺栓结合面连接刚度模型，基于螺栓结合面分形理论，计算螺栓结合面法向接触刚度与螺栓预紧力的关系如图3所示，计算螺栓结合面切向接触刚度与螺栓预紧力的关系如图4所示。

进一步的，螺栓结合面连接刚度与螺栓预紧力存在明显的指数关系，因此建立螺栓结合面法向接触刚度与螺栓预紧力的关系：

K_t＝(1.111×10⁵)F^0.7137

建立螺栓结合面切向接触刚度与螺栓预紧力的关系：

K_n＝(4.876×10⁴)F^0.7483

根据螺栓预紧力检测方法的第二步，建立螺栓预紧力代理模型，该代理模型的具体形式如图5所示。

所述的螺栓预紧力代理模型包括螺栓预紧力位置代理模型和螺栓预紧力程度代理模型，所述螺栓预紧力位置代理模型的输入向量表示被测螺栓是否失效，输出向量表示相邻两阶固有频率的变化率，所述螺栓预紧力程度代理模型的输入向量表示被测螺栓的失效程度，输出向量表示固有频率。

进一步的，螺栓预紧力位置代理模型的输入向量的排序依次表示螺栓位置, 本实施例结构一共5颗螺栓，因此输入向量为[x₁,x₂,x₃,x₄,x₅],其中x_i表示第i颗螺栓的预紧力是否发生变化，其值为0或1，当x_i＝1时，表示该螺栓预紧力完好，当x_i＝0时，表示第i颗螺栓的预紧力发生变化，该代理模型的输出向量为相邻两阶固有频率的变化率，本实施例计算前六阶固有频率，因此输出向量为[y₁,y₂,y₃, y₄,y₅],其中y_i表示第i+1阶固有频率相对于第i阶固有频率的变化率。

进一步的，螺栓预紧力程度代理模型的输入向量为螺栓预紧力的大小，本实施例结构一共5颗螺栓，因此输入向量为[x₁,x₂,x₃,x₄,x₅],其中x_i表示第i颗螺栓的预紧力为相对于完好预紧力值的余量x_i，其值为0到1区间内以0.1为间隔的数，其值越接近于1表示螺栓预紧力越完好，其值越接近于0表示螺栓预紧力的失效程度越大，该代理模型的输出向量为固有频率，本实施例计算前六阶固有频率，因此输出向量为[y₁,y₂,y₃,y₄,y₅,y₆]，,其中y_i表示第i阶固有频率。

根据螺栓预紧力检测方法的第三步，基于人工鱼群优化算法，修正螺栓预紧力代理模型，修正过程流程图如图6所示，整个修正过程可以分为预紧力失效位置代理模型的修正和预紧力失效程度代理模型的修正两个阶段，首先以前六阶相邻两阶固有频率变化率为特征量，修正预紧力失效位置代理模型，实现对预紧力失效的螺栓位置进行检测，其次，以前六阶固有频率为特征量，实现对预紧力失效位置所对应螺栓的失效程度进行检测，确定出整个结构的螺栓失效位置和失效程度。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所做列举，而非对本发明的实施方式的限定。对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他形式的变动。这里无需也无法对所有实施方式予以列举。凡在本发明精神和原则之内的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种螺栓预紧力检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，基于被测结构螺栓连接结构实际特点，建立螺栓预紧力与螺栓结合面连接刚度模型；

第二步，基于连接刚度模型计算螺栓预紧力对模态参数的作用规律，并基于神经网络建立螺栓预紧力代理模型；

第三步，基于人工鱼群优化算法，修正螺栓预紧力代理模型，实现螺栓预紧力检测。

2.如权利要求1所述的一种螺栓预紧力检测方法，其特征在于，所述第一步的具有实施方式如下：

根据被测结构材料特性和螺栓连接表面分形特性，建立螺栓预紧力与法向连接刚度作用方程K _t （F）和切向刚度作用方程K _n （F）:

其中，K _t 表示螺栓连接面法向连接刚度，K _n 表示螺栓连接面切向连接刚度，a _t 和b _t 表示法向刚度指数方程拟合系数，a _n 和b _n 表示切向刚度指数方程拟合系数，F表示螺栓预紧力。

3.如权利要求1所述的一种螺栓预紧力检测方法，其特征在于，所述第二步的螺栓预紧力代理模型包括螺栓预紧力位置代理模型和螺栓预紧力程度代理模型，所述螺栓预紧力位置代理模型的输入向量表示被测螺栓是否失效，输出向量表示相邻两阶固有频率的变化率，所述螺栓预紧力程度代理模型的输入向量表示被测螺栓的失效程度，输出向量表示固有频率。

4.如权利要求1所述的一种螺栓预紧力检测方法，其特征在于，所述第三步的代理模型的修正过程如下：

首先，修正螺栓预紧力位置代理模型，确定螺栓失效位置；其次，将螺栓失效位置信息传递至螺栓预紧力程度代理模型，针对位置失效的螺栓修正预紧力程度代理模型，实现对失效位置螺栓的具体失效程度的检测。