CN110375900A - 一种利用超声尾波能量定量评价螺栓联接状态的方法及系统 - Google Patents

一种利用超声尾波能量定量评价螺栓联接状态的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种利用超声尾波能量实现螺栓联接状态定量评价的方法和系统，通过在螺栓联接结构中安装PZT智能垫圈作为信号激励和接收模块，标定得到的尾波能量与联接状态的函数关系可用于同类螺栓联接结构的定量评价，相比已有的联接状态评价技术，减少了连接线和降低了螺栓连接状态监测的成本，自发自收的监测方式无需考虑不同PZT的一致性问题，大大减少了评价过程中的不确定因素的影响。

Description

一种利用超声尾波能量定量评价螺栓联接状态的方法及系统
技术领域
本发明涉及结构健康监测技术领域，特别涉及一种利用超声尾波能量定量评价螺栓联接状态的方法及系统。
背景技术
在工程结构中，螺栓联接是一种典型的联接方式，广泛应用于冶金、机械、汽车、电力、航天、航空、土木等行业。螺栓联接状态(松紧度)，表现为紧固力/轴向预紧力，直接关系到整个设备或结构的可靠性和安全性。从螺栓联接结构的使用情况及松动机理来看，许多螺栓联接结构受到环境载荷、交变载荷等作用，联接结构存在逐渐松动的趋势。因此，实现对螺栓联接结构的健康检测，特别是对螺栓的联接状态及轴向预应力进行实时有效地监测显得尤为重要。
传统的基于振动分析的螺栓联接结构健康监测方法有射线法、红外线法、应变片电测法等，这些方法可以检测单个螺栓的预应力，但这类技术存在一些缺点：检测装置复杂、费用高；耗时长；可能需要对联接结构进行拆解。因此，这类技术难以实现对结构联接状态的实时监测。对螺栓联接结构进行健康监测主要是要测试螺栓预紧力。目前在螺栓预应力的测量和监测中主要有基于PZT的阻抗法和波动法两种。PZT(Piezoelectric Material)压电材料是一种具有正压电效应和逆压电效应的特殊电介质材料，现己被广泛地应用于各个领域，PZT良好的耦合能力使其还能嵌入其他材料，形成复合结构，有着良好的发展前景。压电阻抗技术压电阻抗技术是一种基于压电材料的非参数结构健康监测技术，可以实现对螺栓结构联接状态的实时监测。阻抗法对测量设备要求较高，需要测量设备具有宽频带的扫频信号输出和高精度的信号采样能力，此外结构机械阻抗与PZT导纳之间的关系是非线性的，分析频带的选择往往比较困难。除此之外，利用超声波声弹性效应测量螺栓轴向力是一种间接测量方法，通过测量超声波在螺栓无应力状态及受力状态下传播时间的差值，确定螺栓的受力状态，但螺栓中声速的改变量微小，声时、声波共振频率的变化需要专门的精密仪器进行跟踪测量，易受环境干扰。另外一种应用较多的波动法是超声波能量法，它的监测原理是透射过螺栓联接件接触界面的超声波能量会随着螺栓预紧力变化而发生变化，通过该波能变化实现对螺栓轴向力的监测方法。然而该方法依赖于传感器的一致性，不能实现螺栓松紧的定量评价。因此有必要提出一种新的螺栓联接状态定量评价方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种利用尾波能量实现螺栓联接状态定量评价的方法和系统，通过在螺栓联接结构中安装PZT智能垫圈作为信号激励和接收模块，标定得到的尾波能量与联接状态的函数关系可用于同类螺栓联接结构的定量评价，相比已有的联接状态评价技术，该方法优点在于减少了连接线和降低了螺栓连接状态监测的成本，更为重要的是，自发自收的监测方式无需考虑不同PZT的一致性问题，大大减少了评价过程中的不确定因素的影响。
本发明公开一种利用超声尾波能量定量评价螺栓联接状态的方法，所述方法包括以下步骤：
S1、将PZT智能垫圈安装在待测螺栓联接结构中，设置方脉冲信号，采集螺栓联接结构全松时的声波信号；
S2、调整螺栓联接结构处于不同的联接状态，直至螺栓联接结构达到全紧状态，采集不同联接状态的声波信号；
S3、计算不同联接状态的尾波信号能量；
S4、根据步骤S3的计算结果，利用非线性拟合建立尾波能量与联接状态的函数关系；
S5、采集同类型的多个螺栓联接结构中未知联接状态的螺栓联接结构的声波信号，并利用步骤S3计算得到未知联接状态的尾波能量，利用S4中的函数关系判断多个螺栓联接结构的联接状态。
在上述技术方案中，所述步骤S1中的PZT智能垫圈由第一金属环和第二金属环组成，将压电陶瓷传感器PZT嵌入第一金属环槽中，上覆第二金属环，组成金属环组合形成PZT智能垫圈。
在上述技术方案中，所述金属环为扁平状。
在上述技术方案中，所述步骤S1中，所述方脉冲信号的激励宽度设为6.5μs，且根据不同检测对象调整激励宽度。
在上述技术方案中，所述步骤S2中螺栓联接结构不同的联接状态是通过扭矩扳手进行调整。
在上述技术方案中，所述步骤S3中计算公式为 其中w(t)为波形数据，w0为w(t)的最大振幅，[t1 t2]为尾波区间。
本发明还公开一种利用超声尾波能量定量评价螺栓联接状态的系统，所述系统包括安装模块、调整模块、计算模块、建立模块以及判断模块；
安装模块，用于将组合模块中PZT智能垫圈安装在待测螺栓联接结构中，设置方脉冲信号，采集螺栓联接结构全松时的声波信号；
调整模块，用于调整螺栓联接结构处于不同的联接状态，直至螺栓联接结构达到全紧状态，采集不同联接状态的声波信号；
计算模块，用于计算不同联接状态的尾波信号能量；
建立模块，用于根据计算模块中的计算结果，利用非线性拟合建立尾波能量与联接状态的函数关系；
判断模块，用于采集同类型的多个螺栓联接结构中未知联接状态的螺栓联接结构的声波信号，并利用计算模块计算得到未知联接状态的尾波能量，利用判断模块中的函数关系判断多个螺栓联接结构的联接状态。
本发明一种利用超声尾波能量定量评价螺栓联接状态的方法及系统，具有以下有益效果：一是与已有波动法相比，本发明只需要一个智能垫圈即可实现静态预应力的监测，减少了连接线和降低了静态预应力监测的成本；二是与已有的基于超声透射波能量方法相比，本发明利用超声尾波能量实现螺栓联接状态的定量评价，由于本发明计算的尾波能量是相对于直达波信号而言，它只与螺栓联接状态有关，大大减少了评价过程中的不确定因素的影响，为螺栓联接状态定量评价提供了可靠的方法和技术。
附图说明
图1为本发明一种利用超声尾波能量定量评价螺栓联接状态的方法流程图；
图2为本发明螺栓联接状态模型示意图；
图3为本发明不同联接状态与归一化尾波能量的关系示意图；
图4为一种利用超声尾波能量定量评价螺栓联接状态的系统模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述，本发明提供一种利用超声尾波能量定量评价螺栓联接状态的方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
S1、将PZT智能垫圈安装在待测螺栓联接结构中，设置方脉冲信号，采集螺栓联接结构全松时的声波信号；
S2、调整螺栓联接结构处于不同的联接状态，直至螺栓联接结构达到全紧状态，采集不同联接状态的声波信号；
S3、计算不同联接状态的尾波信号能量；
S4、根据步骤S3的计算结果，利用非线性拟合建立尾波能量与联接状态的函数关系；
S5、采集同类型的多个螺栓联接结构中未知联接状态的螺栓联接结构的声波信号，并利用步骤S3计算得到未知联接状态的尾波能量，利用S4中的函数关系判断多个螺栓联接结构的联接状态。
其中，如图2所示，所述步骤S1中的PZT智能垫圈由第一金属环和第二金属环组成，将压电陶瓷传感器PZT嵌入第一金属环槽中，上覆第二金属环，组成金属环组合形成PZT智能垫圈。
其中，所述金属环为扁平状。
其中，所述步骤S1中，所述方脉冲信号的激励宽度设为6.5μs，且根据不同检测对象调整激励宽度。
其中，所述步骤S2中螺栓联接结构不同的联接状态是通过扭矩扳手进行调整。
其中，所述步骤S3中计算公式为其中w(t)为波形数据，w0为w(t)的最大振幅，[t1 t2]为尾波区间。其中尾波能量除直达波能量为归一化处理。
通过以下应用实例数值模拟和实验实例对本发明进行进一步的说明。
为了验证本发明螺栓联接状态监测和测量的可靠性，利用有限差分数值模拟了不同联接状态的声波响应，并归一化处理建立了螺栓联接状态与归一化尾波能量的对应关系，并利用实验数据进行了验证。图2给出了螺栓联接状态模型示意图，智能垫圈置于螺栓与钢板之间，声源采用160kHz的瑞克子波，利用有限差分数值模拟了螺栓由全松(定义状态为0)到全紧(定义状态为1)的波形数据。同时针对图2所示模型，开展了实验，通过旋转螺栓松紧程度表征不同联接状态激励信号为幅度为48V、宽度为6.5μs的单极性方波脉冲。为了便于对比，将有限差分(点线)和实验(虚线)非线性拟合得到的规律均做归一化处理，结果如图3所示。从图3中得出，数值模拟结果和实验结果具有较好的一致性，结果表明利用尾波能量可以实现螺栓联接结构的定量评价。
本发明还提供一种利用超声尾波能量定量评价螺栓联接状态的系统，如图4所示，所述系统包括安装模块、调整模块、计算模块、建立模块以及判断模块；
安装模块，用于将PZT智能垫圈安装在待测螺栓联接结构中，设置方脉冲信号，采集螺栓联接结构全松时的声波信号；
调整模块，用于调整螺栓联接结构处于不同的联接状态，直至螺栓联接结构达到全紧状态，采集不同联接状态的声波信号；
计算模块，用于计算不同联接状态的尾波信号能量；
建立模块，用于根据计算模块中的计算结果，利用非线性拟合建立尾波能量与联接状态的函数关系；
判断模块，用于采集同类型的多个螺栓联接结构中未知联接状态的螺栓联接结构的声波信号，并利用计算模块计算得到未知联接状态的尾波能量，利用判断模块中的函数关系判断多个螺栓联接结构的联接状态。
以上系统实施例与方法实施例是一一对应的，系统实施例简略之处，参见方法实施例即可。
说明书中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。本实施方式仅用于说明该发明，而不用于限制本发明的范围，本领域技术人员对于本发明所做的等价置换等修改均认为是落入该发明权利要求书所保护范围内。

Claims (7)

1.一种利用超声尾波能量定量评价螺栓联接状态的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、将PZT智能垫圈安装在待测螺栓联接结构中，设置方脉冲信号，采集螺栓联接结构全松时的声波信号；
S2、调整螺栓联接结构处于不同的联接状态，直至螺栓联接结构达到全紧状态，采集不同联接状态的声波信号；
S3、计算不同联接状态的尾波信号能量；
S4、根据步骤S3的计算结果，利用非线性拟合建立尾波能量与联接状态的函数关系；
S5、采集同类型的多个螺栓联接结构中未知联接状态的螺栓联接结构的声波信号，并利用步骤S3计算得到未知联接状态的尾波能量，利用S4中的函数关系判断多个螺栓联接结构的联接状态。
2.根据权利要求1所述一种利用超声波能量定量评价螺栓联接状态的方法，其特征在于，所述步骤S1中的PZT智能垫圈由第一金属环和第二金属环组成，将压电陶瓷传感器PZT嵌入第一金属环槽中，上覆第二金属环，组成金属环组合形成PZT智能垫圈。
3.根据权利要求2中一种利用超声尾波能量定量评价螺栓联接状态的方法，其特征在于，所述金属环为扁平状。
4.根据权利要求1中一种利用超声尾波能量定量评价螺栓联接状态的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述方脉冲信号的激励宽度设为6.5μs，且根据不同检测对象调整激励宽度。
5.根据权利要求1中一种利用超声尾波能量定量评价螺栓联接状态的方法，其特征在于，所述步骤S2中螺栓联接结构不同的联接状态是通过扭矩扳手进行调整。
6.根据权利要求1中一种利用超声尾波能量定量评价螺栓联接状态的方法，其特征在于，所述步骤S3中计算公式为其中w(t)为波形数据，w0为w(t)的最大振幅，[t1 t2]为尾波区间。
7.一种利用超声尾波能量定量评价螺栓联接状态的系统，其特征在于，所述系统包括安装模块、调整模块、计算模块、建立模块以及判断模块；
安装模块，用于将组合模块中PZT智能垫圈安装在待测螺栓联接结构中，设置方脉冲信号，采集螺栓联接结构全松时的声波信号；
调整模块，用于调整螺栓联接结构处于不同的联接状态，直至螺栓联接结构达到全紧状态，采集不同联接状态的声波信号；
计算模块，用于计算不同联接状态的尾波信号能量；
建立模块，用于根据计算模块中的计算结果，利用非线性拟合建立尾波能量与联接状态的函数关系；
判断模块，用于采集同类型的多个螺栓联接结构中未知联接状态的螺栓联接结构的声波信号，并利用计算模块计算得到未知联接状态的尾波能量，利用判断模块中的函数关系判断多个螺栓联接结构的联接状态。
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