一种利用主动超声导波定量化监测螺栓预紧力矩的方法技术

本发明专利技术提出一种利用主动超声导波定量化监测螺栓预紧力矩的方法，采用MFC(Macro-Fiber Composite)宏纤维压电复合材料元件作为激励和传感器，定向激励结构并采集波动响应，建立螺栓预紧力矩参考比对数据库，从而能够基于参考数据库在线监测螺栓预紧力矩。利用本发明专利技术可以不用拆解结构就能快速监测螺栓的松紧状态，降低装配成本，提高效率；而且该方法操作简单，针对单螺栓扭矩值具有较高的定量化监测精度；另外，采用的宏纤维压电复合材料元件很薄(约0.2mm)，粘贴后不影响结构性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及结构健康监测
，具体为。
技术介绍
螺栓连接广泛存在于机械、土木、能源和航空航天工程领域。控制和保持螺栓预紧力是确保工程结构安全服役的重要前提。然而，长期服役过程中的螺栓应力松弛，以及外部振动、冲击等力学环境都可能导致螺栓预紧力下降、连接松动，严重危害结构的安全性。目前，工程中对螺栓预紧力的监测方法，一类是常规的无损监测手段，如利用超声成像、X射线探伤等方法；另一类方法是在螺栓上固定应变片或力传感器，通过测量螺栓应变变化或压力变化监测螺栓预紧力的变化。前者需要大型设备支持，可能需要拆解结构，不适合实时在线的监测；后者需要对螺栓钻孔进行引线或改变结合部的构造，很难实际应用。近年来，利用超声导波方法的损伤监测方法被应用于单一材料管道、平板等结构的损伤监测中，但公开文献中其在螺栓松动监测方面的研究还很少并有以下限制:采用能量定向性较差的主动超声激励元件，使得激励能量发散，造成期望方向的波能量不足；未能建立监测参考数据库的系统方法；特征参量灵敏度低和分辨率不高，从而不能够定量评估螺栓预紧状态。
技术实现思路
要解决的技术问题本专利技术旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本专利技术的一个目的在于提供，采用MFC (Macro-Fiber Composite)宏纤维压电复合材料元件作为激励和传感器，定向激励结构并采集波动响应，建立螺栓预紧力矩参考比对数据库，从而能够基于参考数据库在线监测螺栓预紧力矩。技术方案在本专利技术的一个方面，本专利技术提出，其特征在于:包括以下步骤:步骤1:离线建立参考数据库:步骤1.1:采用数显力矩扳手将待测螺栓在连接结构上手动拧紧，并记录力矩扳手数值；步骤1.2:在连接结构上胶粘两片宏纤维压电复合材料元件，分别作为激励器和传感器；其中两片宏纤维压电复合材料元件分别处于待测螺栓两侧，螺栓中心以及两个宏纤维压电复合材料元件的主形变方向共线；步骤1.3:作为激励器的宏纤维压电复合材料元件依次连接功率放大器和波形发生器；作为传感器的宏纤维压电复合材料元件依次数字示波器和计算机；步骤1.4:在波形发生器中存储3-5周期经汉宁窗调制的正弦信号，正弦信号中心频率为100?300KHZ ;波形发生器将存储的正弦信号按照单脉冲形式输出，输出信号经功率放大器放大后施加给作为激励器的宏纤维压电复合材料元件电极两端，功率放大器放大后的信号脉冲峰峰值为80?100V ；步骤1.5:监测作为传感器的宏纤维压电复合材料元件两端电极的电压信号，并对监测到的信号进行高通滤波，得到滤波后的响应信号；步骤1.6:计算滤波后的响应信号的均方根，并以均方根作为识别螺栓预紧扭矩的特征参量；步骤1.7:彻底松动螺栓，而后以步骤1.1中手动拧紧的力矩值开始，选择若干个大于手动拧紧力矩值的螺栓预紧力矩；对于每个螺栓预紧力矩值，重复步骤1.4-步骤1.6，得到该螺栓预紧力矩值对应的特征参量；建立由预紧力矩和特征参量组成的参考数据库；步骤2:在线监测螺栓预紧力矩:波形发生器按照设定的时间间隔重复将存储的正弦信号以脉冲形式输出，而后监测作为传感器的宏纤维压电复合材料元件两端电极的电压信号，并对监测到的信号进行高通滤波，得到滤波后的响应信号；计算滤波后的响应信号的均方根；将得到的均方根与参考数据库比较，得到螺栓预紧力矩值。另外，根据本专利技术的实施例，还可以具有如下附加的技术特征:所述，其特征在于:在连接结构上用3MDP460工业胶粘贴宏纤维压电复合材料元件，胶层厚度为0.04-0.06mm，并在50°C?60°C温度下固化两个小时。所述，其特征在于:步骤1.5中高通滤波的截止频率不小于步骤1.4中的中心频率的1.5倍。所述，其特征在于:步骤1.7中，对于每个螺栓预紧力矩值，重复步骤1.4-步骤1.6若干次，得到该螺栓预紧力矩值对应的特征参量平均值的95%置信区间；建立由预紧力矩和特征参量平均值95%置信区间组成的参考数据库。根据本专利技术的实施例，该利用主动超声导波定量化监测螺栓预紧力矩的方法可以不用拆解结构就能快速监测螺栓的松紧状态，降低装配成本，提高效率；而且该方法操作简单，针对单螺栓扭矩值具有较高的定量化监测精度；另外，采用的宏纤维压电复合材料元件很薄(约0.2mm)，粘贴后不影响结构性能。【附图说明】本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:图1:螺栓预紧力矩监测系统；图2:螺栓预紧力矩监测系统测量流程；图3:实例的试件结构尺寸及激励和监测点位置；图4:五周期的正弦经汉宁窗调制的脉冲信号；图5:实例的螺栓在2N.m扭矩下监测点的原始信号及滤波后的信号；图6:实例的不同预紧力下监测点响应滤波后的RMS(多次重复实验)；图7:实例的RMS均值的95%置信区间随不同预紧力矩的变化(参考数据库)。【具体实施方式】下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外、术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本专利技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。本实施例是利用主动超声导波技术的螺栓连接预紧力矩定量化监测方法，该方法采用Pl型MFC施加定向激励，在结构中产生超声导波，导波传播经过螺栓连接后，测量波响应信号并进行处理，将获得的特征信息与参考数据库对比，判断螺栓的当前预紧力矩状态，实现无损、在线地定量化监测螺栓预紧力。如图2所示，方法包括两大部分:步骤1:离线建立参考数据库:当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用主动超声导波定量化监测螺栓预紧力矩的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：离线建立参考数据库：步骤1.1：采用数显力矩扳手将待测螺栓在连接结构上手动拧紧，并记录力矩扳手数值；步骤1.2：在连接结构上胶粘两片宏纤维压电复合材料元件，分别作为激励器和传感器；其中两片宏纤维压电复合材料元件分别处于待测螺栓两侧，螺栓中心以及两个宏纤维压电复合材料元件的主形变方向共线；步骤1.3：作为激励器的宏纤维压电复合材料元件依次连接功率放大器和波形发生器；作为传感器的宏纤维压电复合材料元件依次数字示波器和计算机；步骤1.4：在波形发生器中存储3‑5周期经汉宁窗调制的正弦信号，正弦信号中心频率为100～300KHz；波形发生器将存储的正弦信号按照单脉冲形式输出，输出信号经功率放大器放大后施加给作为激励器的宏纤维压电复合材料元件电极两端，功率放大器放大后的信号脉冲峰峰值为80～100V；步骤1.5：监测作为传感器的宏纤维压电复合材料元件两端电极的电压信号，并对监测到的信号进行高通滤波，得到滤波后的响应信号；步骤1.6：计算滤波后的响应信号的均方根，并以均方根作为识别螺栓预紧扭矩的特征参量；步骤1.7：彻底松动螺栓，而后以步骤1.1中手动拧紧的力矩值开始，选择若干个大于手动拧紧力矩值的螺栓预紧力矩；对于每个螺栓预紧力矩值，重复步骤1.4‑步骤1.6，得到该螺栓预紧力矩值对应的特征参量；建立由预紧力矩和特征参量组成的参考数据库；步骤2：在线监测螺栓预紧力矩：波形发生器按照设定的时间间隔重复将存储的正弦信号以脉冲形式输出，而后监测作为传感器的宏纤维压电复合材料元件两端电极的电压信号，并对监测到的信号进行高通滤波，得到滤波后的响应信号；计算滤波后的响应信号的均方根；将得到的均方根与参考数据库比较，得到螺栓预紧力矩值。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王腾，徐超，吴冠男，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61