CN113267536B - 一种多频段阻抗融合的松动螺栓定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多频段阻抗融合的松动螺栓定位方，包括如下步骤：确定压电片布置、寻找检测频段、标定、训练机器学习模型、验证。本发明利用压电片激励频率与检测范围存在对应关系这一规律，使用支持向量机模型将高、低频段的阻抗信息融合来实现结构中松动螺栓的精确定位。为螺栓组的检修工作提供了一种新型的松动螺栓定位方法。

Description

一种多频段阻抗融合的松动螺栓定位方法
技术领域
本发明涉及一种松动螺栓定位方法，尤其是一种基于机电阻抗技术的多频段融合定位方法。
背景技术
复杂的机械系统是由各种零部件装配而成的，其中螺栓连接作为最典型的装配形式，具有容易拆卸、连接可靠等优点，在复杂结构中常常发挥着连接、紧固以及传递载荷的重要作用。然而，螺栓连接在往复周期载荷的作用下极易发生自松动，如果不能在早期定位到松动螺栓并采取防松的措施，可能会引发严重的安全事故，因此，发展松动螺栓的定位检测技术具有重要的意义。
目前，针对螺栓松动的检测技术主要有以下几种：(1)基于振动信号的测量方法；(2)基于超声的测量方法；(3)基于机电阻抗的测量方法。其中振动信号通过激励被测件，并提取响应信号进行分析，获取系统模态对松动状态进行识别，是目前较为常见的检测方法。但是对于复杂结构来说，整体的模态特性对部分螺栓松动并不敏感，因此难以准确定位到松动螺栓。基于超声的方法通常用于检测横截面不变结构的损伤，存在一定局限性。机电阻抗技术利用压电材料的压电特性进行探伤，具有响应速度快以及对微小损伤敏感等优点，且已有研究表明压电片激励频率与有效识别范围存在定性关系，为提出多频段融合的定位方法奠定了基础。
虽然目前已有学者探究了基于机电阻抗的松动螺栓定位方法，但是仍具有一定的局限性，比如需要在螺栓组附近安装大量的压电片，当螺栓数目较多时，这种方法的准备工作十分费时，因此需要发展一种效率较高的松动螺栓定位方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有检测方法的局限性，提出一种新型的松动螺栓定位方法。
本发明的技术方案：
一种多频段阻抗融合的松动螺栓定位方法，包括如下步骤：
步骤1、准备工作
在待检测试件表面采用胶接的方式安装压电陶瓷片，压电陶瓷片的分布应相对于各螺栓为非对称式分布，且各压电陶瓷片均位于附近两颗螺栓的中间位置；将待检测试件平稳放置地面上；选取其中一个压电陶瓷片作为标定压电陶瓷片，连接阻抗分析仪至该压电陶瓷片；
步骤2、搜索检测频段
(1)定义标定压电陶瓷片附近的两颗螺栓为近场螺栓，定义位于近场螺栓左右两侧的两颗螺栓为远场螺栓；
(2)对压电片的近场螺栓与远场螺栓分工况拧紧，包括：工况1是一颗近场螺栓松至目标预紧力的50％，其余螺栓均拧紧；工况2是一颗远场螺栓松至目标预紧力的50％，其余螺栓均拧紧；工况3是所有螺栓均拧紧；每种工况下对标定压电陶瓷片从低到高均匀选择频段进行扫频，频段宽度为10kHz，将扫描结果保存；
(3)对比各个频段下不同工况的阻抗曲线，分别选取低频段与高频段共两个频段，选取原则是：低频段下近场螺栓松动与远场螺栓松动产生的阻抗峰值移动几乎相同，高频段下远场螺栓松动几乎不会引起阻抗峰值发生移动，保存通过以上方法选取的频段；
步骤3、建模
(1)对每颗压电片首先测量所有螺栓均拧紧时高、低两个检测频段的阻抗曲线作为健康状态，然后分别将其近场与远场螺栓松至目标预紧力的50％，获取各螺栓松动状态下在高、低两个检测频段的阻抗曲线；
(2)对每个压电片在各频段下获得的阻抗曲线提取特征，选择曲线内三个阻抗峰值的移动作为特征，并通过Min-Max标准化将各组特征进行标准化处理，将处理后的特征共同输入到支持向量机模型中进行训练，模型输出设定为螺栓松动的位置；
步骤4，验证实验
(1)随机拧松螺栓，模拟实际工作状况，并获取所有压电片在高、低频段下的阻抗曲线作为检测数据；
(2)提取损伤曲线的特征，将提取的特征输入到支持向量机模型中，获取螺栓松动位置；
本方法基于当基体结构有螺栓出现松动时，会引起结构的机械阻抗发生变化，进而引起压电片的耦合电阻抗发生变化，因此，通过分析耦合电阻抗实现对螺栓松动的检测。由于激励频率越高，压电片检测范围越小，因此不同激励频率对应不同的检测范围，本方法利用这一规律，使用支持向量机模型将高、低频段的阻抗信息融合，实现结构中松动螺栓的精确定位。
本发明有益效果：本方法通过融合多频段阻抗对松动螺栓精准定位，减少了安装压电片的数量；压电陶瓷片直接安装在待测结构的表面上，无需预先对结构或螺栓做处理，实现完全无损的检测过程，为螺栓组的检修工作提供了一种新型的松动螺栓定位方法。
附图说明
图1为本发明的检测系统图；
图2为本发明的四螺栓结构压电陶瓷片分布示意图；
图3为本发明的八螺栓结构压电陶瓷片分布示意图；
图4为本发明的检测流程图。
图中：1压电陶瓷片；2待测结构；3连接螺栓；4测试探头；5阻抗分析仪。
具体实施方式
下面以某型四螺栓法兰为例，进一步说明本发明的具体实施方式。
步骤1，准备工作：
11.在连接法兰正面安装压电陶瓷片，压电陶瓷片安装位置见附图2，安装方式为胶接。
12.将该法兰平稳放置在平坦面上。
13.选取其中一个压电陶瓷片作为下一步骤中的标定压电陶瓷片，连接阻抗分析仪至该压电陶瓷片。
步骤2、搜索检测频段
21.定义标定压电陶瓷片附近的两颗螺栓为近场螺栓，定义位于近场螺栓左右两侧的两颗螺栓为远场螺栓；
22.对压电片的近场螺栓与远场螺栓分工况拧紧，包括：工况1是一颗近场螺栓松至30N·m，其余螺栓均拧紧；工况2是一颗远场螺栓松至30N·m，其余螺栓均拧紧；工况3是所有螺栓均拧紧；每种工况下对标定压电陶瓷片从低到高均匀选择频段进行扫频，频段宽度为10kHz，将扫描结果保存；
23.对比各个频段下不同工况的阻抗曲线，分别选取低频段与高频段共两个频段，选取原则是：低频段下近场螺栓松动与远场螺栓松动产生的阻抗峰值移动几乎相同，高频段下远场螺栓松动几乎不会引起阻抗峰值发生移动，最终选择低频段为510-520kHz，高频段为3.47-3.48MHz；
步骤3、建模
31.对每颗压电片首先测量所有螺栓均拧紧时在510-520kHz、3.47-3.48MHz频段的阻抗曲线作为健康状态，然后分别将其近场与远场螺栓松至30N·m，获取各螺栓松动状态下在510-520kHz、3.47-3.48MHz频段的阻抗曲线；
32.对每个压电片在各频段下获得的阻抗曲线提取特征，选择曲线内三个阻抗峰值的移动以及均方根误差作为特征，并通过Min-Max标准化将各组特征进行标准化处理，处理后数据如下：
1号压电片特征提取结果
Figure BDA0003066318260000051
2号压电片特征提取结果
Figure BDA0003066318260000052
重复测试五组数据，其中三组作为训练集，两组作为测试集，将训练集数据处理后的特征共同输入到支持向量机模型中进行训练，模型输出设定为螺栓松动的位置；
步骤4、验证
将测试集数据通过提取特征后输入到模型，获取松动螺栓位置。

Claims (1)

1.一种多频段阻抗融合的松动螺栓定位方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1、准备工作
在待检测试件表面采用胶接的方式安装压电陶瓷片，压电陶瓷片的分布应相对于各螺栓为非对称式分布，且各压电陶瓷片均位于附近两颗螺栓的中间位置；将待检测试件平稳放置，选取其中一个压电陶瓷片作为标定压电陶瓷片，连接阻抗分析仪至该压电陶瓷片；
步骤2、搜索检测频段
(1)定义标定压电陶瓷片附近的两颗螺栓为近场螺栓，定义位于近场螺栓左右两侧的两颗螺栓为远场螺栓；
(2)对近场螺栓与远场螺栓分工况拧紧，包括：工况1是一颗近场螺栓松至目标预紧力的50％，其余螺栓均拧紧；工况2是一颗远场螺栓松至目标预紧力的50％，其余螺栓均拧紧；工况3是所有螺栓均拧紧；每种工况下对标定压电陶瓷片从低到高均匀选择频段进行扫频，频段宽度为10kHz，将扫描结果保存；
(3)对比各个频段下不同工况的阻抗曲线，分别选取低频段与高频段共两个频段，选取原则是：低频段下近场螺栓松动与远场螺栓松动产生的阻抗峰值移动几乎相同，高频段下远场螺栓松动几乎不会引起阻抗峰值发生移动，保存通过以上方法选取的频段；
步骤3、建模
(1)对每颗压电陶瓷片首先测量所有螺栓均拧紧时高、低两个检测频段的阻抗曲线作为健康状态，然后分别将其近场螺栓与远场螺栓松至目标预紧力的50％，获取各螺栓松动状态下在高、低两个检测频段的阻抗曲线；
(2)对每个压电陶瓷片在各频段下获得的阻抗曲线提取特征，选择曲线内三个阻抗峰值的移动作为特征，并通过Min-Max标准化将各组特征进行标准化处理，将处理后的特征共同输入到支持向量机模型中进行训练，模型输出设定为螺栓松动的位置；
步骤4，验证实验
(1)随机拧松螺栓，模拟实际工作状况，并获取所有压电陶瓷片在高、低频段下的阻抗曲线作为检测数据；
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