CN110068454A - 一种振动激励下螺栓预紧力的机电阻抗监测方法 - Google Patents

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杜飞
邢思思
徐超
王晨
柏绍波
伍世伟
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant

Abstract

本发明涉及一种振动激励下螺栓预紧力的机电阻抗监测方法，在待测螺栓一侧粘贴压电陶瓷PZT，螺栓与PZT片的主形变方向共线，将压电片的引出线连接在阻抗分析仪上；将激振器固定在待测结构下方，并依次与信号放大器、信号发生器相连接；设置阻抗分析仪的扫频范围；同时信号发生器发出固定频率的正弦脉冲信号作为激振器的输入信号，改变螺栓预紧力，使其由完全松动逐步变为完全拧紧状态，每次改变预紧力大小之后，打开信号放大器，使激振器激励待测结构，采集不同预紧力下的阻抗实部数据，将螺栓完全拧紧时的工况选为标准工况；在所得阻抗实部数据中选取敏感频段；计算不同预紧力下该敏感频段的松动指标RMSD；利用上述松动指标以及标准工况下阻抗实部，即可衡量螺栓松动程度。

Description

一种振动激励下螺栓预紧力的机电阻抗监测方法
技术领域
本发明属于结构健康监测领域，具体涉及一种基于机电阻抗的高灵敏度螺栓预紧力监测方法。
背景技术
螺栓连接结构在航天器中是普遍存在的，它使结构易于安装或拆卸并在组件连接传递载荷中起至关重要的作用，但在复杂载荷的作用下或长期服役后，螺栓连接的预紧力会下降甚至完全消失，这将严重影响航天器的安全性，因此监测螺栓连接处的预紧力至关重要。机电阻抗技术因反应灵敏、可靠性高而成为结构健康监测领域一种重要的识别方法。
目前机电阻抗法一般将压电陶瓷PZT固定在结构上，测量PZT与结构结合体的机械阻抗，通过计算损伤指标来判断结构缺陷和损伤程度。然而实验结果表明，该方法对于螺栓早期松动监测灵敏度不够(见文献：吴斌等.基于机电阻抗技术的管道法兰结构健康监测实验研究，实验力学,2010年10月，第25卷，第5期)，因此构建一种基于机电阻抗的高灵敏度螺栓预紧力监测方法，对于提高机电阻抗方法的适用性具有重要意义。
发明内容
要解决的技术问题
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种振动激励下螺栓预紧力的机电阻抗监测方法，该方法解决了当前螺栓预紧力的机电阻抗检测方法灵敏度不够高的缺陷，实现了螺栓连接早期松动的监测。
技术方案
一种振动激励下螺栓预紧力的机电阻抗监测方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：在待测螺栓一侧粘贴压电陶瓷PZT，螺栓与PZT片的主形变方向共线，将压电片的引出线连接在阻抗分析仪上；
步骤2：将激振器固定在待测结构下方，并依次与信号放大器、信号发生器相连接；
步骤3：设置阻抗分析仪的扫频范围；同时信号发生器发出固定频率的正弦脉冲信号作为激振器的输入信号，改变螺栓预紧力，使其由完全松动逐步变为完全拧紧状态，每次改变预紧力大小之后，打开信号放大器，使激振器激励待测结构，采集不同预紧力下的阻抗实部数据，将螺栓完全拧紧时的工况选为标准工况；
步骤4：在步骤3所得阻抗实部数据中选取敏感频段，选取原则为不同预紧力下该频段阻抗实部峰值频率变化大于100HZ或峰值大小变化大于50；
步骤5：计算不同预紧力下该敏感频段的松动指标RMSD,该指标由下面的公式确定：
其中为螺栓完全拧紧时第i个频率点的阻抗实部，为螺栓松动后第i个频率点的阻抗实部；
步骤6：利用上述松动指标以及标准工况下阻抗实部，即可衡量螺栓松动程度。
所述的阻抗分析仪的扫频范围设置为30～500kHz。
所述的正弦脉冲信号的固定频率范围为200-1000Hz。
有益效果
本发明提出的一种振动激励下螺栓预紧力的机电阻抗监测方法，由于使用了激振器激励被测结构，使螺栓连接早期松动的机电阻抗监测方法敏感度大幅提高。
附图说明
图1：本例所用实验试件示意图：1-被测螺栓、2-压电片、3-激振器；
图2：无激振条件下三个不同扭矩水平所得阻抗实部曲线；
图3：有激振条件下三个不同扭矩水平所得阻抗实部曲线；
图4：有无激振器条件下所得松动指标RMSD随扭矩变化情况。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明的具体步骤如下：
步骤一：在待测螺栓一侧粘贴压电陶瓷PZT，螺栓与PZT片的主形变方向共线，将压电片的引出线连接在阻抗分析仪上；
步骤二：将激振器固定在待测结构下方，并与信号放大器和信号发生器相连接；
步骤三：阻抗分析仪扫频范围可设置为30～500kHz。同时信号发生器发出固定频率的正弦脉冲信号(200-1000Hz即可)作为激振器的输入信号。改变螺栓预紧力，使其由完全松动逐步变为完全拧紧状态(具体数值依所用螺栓而定)，每次改变预紧力大小之后，打开信号放大器，使激振器激励待测结构，采集不同预紧力下的阻抗实部数据，将螺栓完全拧紧时的工况选为标准工况；
步骤四：在步骤三所得阻抗实部数据中选取敏感频段，选取原则为不同预紧力下该频段阻抗实部峰值频率变化大于100HZ或峰值大小变化大于50；
步骤五：计算不同预紧力下该敏感频段的松动指标RMSD,该指标由下面的公式确定：
其中为螺栓完全拧紧时第i个频率点的阻抗实部(即标准工况)，为螺栓松动后第i个频率点的阻抗实部。
步骤六：利用上述松动指标以及标准工况下阻抗实部，即可衡量螺栓松动程度。
下面以一M8螺栓连接的L型悬臂搭接铝板为例对本发明的监测方法作进一步详细说明：
步骤一：在结构中待测螺栓一侧75mm处用环氧树脂胶粘贴压电陶瓷PZT，螺栓与PZT的主形变方向共线，PZT的尺寸为10mm×8mm×1mm,型号P5H，将压电片的引出线连接在阻抗分析仪上；
步骤二：将激振器固定在待测结构下方，并与信号放大器和信号发生器相连接；
步骤三：设置阻抗分析仪扫频范围为30～500kHz，采集点数为800。同时信号发生器发出中心频率为300Hz的正弦脉冲信号。改变螺栓预紧力，使其从完全松动逐步变为完全拧紧状态，每次改变预紧力大小之后，打开信号放大器，使激振器激励待测结构，采集不同预紧力下的阻抗实部数据，本实验设置的扭矩有0Nm(完全松动),2Nm，4Nm，6Nm，8Nm，10Nm(标准工况)；
步骤四：根据敏感频段选取原则，即不同预紧力下该频段阻抗实部峰值频率变化大于100HZ或峰值大小变化大于50，将步骤三所得各工况阻抗实部曲线绘制于同一幅图中对比观察，根据观察结果本实施例选取的敏感频段为30～200kHz；
步骤五：使用MATLAB计算不同预紧力下该敏感频段的松动指标RMSD,该指标由下面的公式确定：
其中为螺栓完全拧紧(本例为10Nm)时第i个频率点的阻抗实部，为螺栓松动(0Nm)后第i个频率点的阻抗实部。
步骤六：利用上述松动指标即可衡量螺栓松动程度，同一监测条件下，RMSD值越大表明螺栓松动程度越大；当螺栓松动程度相同时，RMSD变化越剧烈表明该方法对螺栓松动越敏感。通过计算螺栓松动1Nm时的RMSD值发现，有激振器RMSD值为8.71×10-4,无激振器RMSD值为7.65×10-5，而在10Nm时(标准扭矩)时，RMSD值均为0，因此针对该结构，本发明识别螺栓早期松动的敏感程度比传统方法提高了约10倍。

Claims (3)

1.一种振动激励下螺栓预紧力的机电阻抗监测方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：在待测螺栓一侧粘贴压电陶瓷PZT，螺栓与PZT片的主形变方向共线，将压电片的引出线连接在阻抗分析仪上；
步骤2：将激振器固定在待测结构下方，并依次与信号放大器、信号发生器相连接；
步骤3：设置阻抗分析仪的扫频范围；同时信号发生器发出固定频率的正弦脉冲信号作为激振器的输入信号，改变螺栓预紧力，使其由完全松动逐步变为完全拧紧状态，每次改变预紧力大小之后，打开信号放大器，使激振器激励待测结构，采集不同预紧力下的阻抗实部数据，将螺栓完全拧紧时的工况选为标准工况；
步骤4：在步骤3所得阻抗实部数据中选取敏感频段，选取原则为不同预紧力下该频段阻抗实部峰值频率变化大于100HZ或峰值大小变化大于50；
步骤5：计算不同预紧力下该敏感频段的松动指标RMSD,该指标由下面的公式确定：
其中为螺栓完全拧紧时第i个频率点的阻抗实部，为螺栓松动后第i个频率点的阻抗实部；
步骤6：利用上述松动指标以及标准工况下阻抗实部，即可衡量螺栓松动程度。
2.根据权利要求1所述的一种振动激励下螺栓预紧力的机电阻抗监测方法，其特征在于所述的阻抗分析仪的扫频范围设置为30～500kHz。
3.根据权利要求1所述的一种振动激励下螺栓预紧力的机电阻抗监测方法，其特征在于所述的正弦脉冲信号的固定频率范围为200-1000Hz。
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