基于结构界面波能损耗的螺栓预紧力监测研究

摘要

针对工程实际中的螺栓松动问题，国内外学者提出过很多种螺栓预紧力测试方法。本文在前人研究的基础上，进一步研究螺栓联接结构的压电主动式超声波健康监测方法。从理论分析、有限元仿真和实验研究三个方面对超声波通过螺栓联接界面的透射波能与螺栓预紧力的关系进行深入研究。根据透射波能量大小与螺栓预紧力的对应关系来判断螺栓联接的健康状态。本文所做的工作和得出的结论主要包含以下几点:
　　(1)根据超声波在钢/空气界面的反射与透射特性及粗糙接触面的G-W模型推导出:在轻载荷小变形条件下，透射过螺栓联接界面的超声波能量与预紧力成近似的线性关系。
　　(2)应用有限元软件模拟了粗糙表面的微观接触特性和超声波通过预应力作用下的螺栓联接界面的传播过程。通过有限元分析结果求得超声波透射能量与螺栓预紧力的关系。
　　(3)在理论分析和有限元仿真的基础上进行实验研究。仿真和实验结果表明响应信号峰峰值及聚焦信号幅值与螺栓预紧力呈现单调递增关系:随着螺栓预紧力的增大，响应信号峰峰值和聚焦信号幅值先快速增加，然后慢速增加，最终趋于平稳。
　　研究结果表明，基于结构界面波能损耗的螺栓预紧力监测方法在螺栓联接健康监测方面具有较好的应用前景。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状分析

1．2．1 扭矩扳手测量螺栓预紧力

1．2．2 电阻应变片电测法测量螺栓预紧力

1．2．3 利用超声波声弹性现象测量螺栓轴向力

1．2．4 基于结构动力学参数的监测方法

1．2．5 基于声发射的检测方法

1．2．6 基于主动式超声波及时间反演技术的监测方法

1．3 研究内容及目标

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究目标

第2章 基于时间反演法的螺栓预紧力超声检测机理

2．1 超声波的分类及其生成与探测

2．1．1 超声波的分类

2．1．2 超声波的生成和检测

2．2 超声波的声学特性

2．2．1 超声波的声压、声强表示和声阻抗特性

2．2．2 超声波的反射和透射

2．3 超声波检测螺栓预紧力原理

2．3．1 螺栓联接界面的实际接触面积

2．3．2 透射超声波能量与实际接触面积的关系

2．4 时间反演算法

2．5 本章小结

第3章 螺栓预紧力超声检测的有限元仿真

3．1 分析问题描述

3．2 创建部件和装配件

3．2．1 创建圆板粗糙面草图

3．2．2 创建环型板和压电片

3．3 材料参数

3．3．1 圆板材料参数

3．3．2 PZT-5H材料参数

3．4 网格划分

3．5 设定分析步

3．6 定义各个面的接触关系

3．7 载荷和边界条件

3．8 有限元结果分析

3．9 本章小结

第4章 螺栓预紧力超声检测实验

4．1 螺栓预紧力检测系统

4．2 实验平台

4．2．1 实验试样

4．2．2 预紧力控制装置

4．2．3 信号发射和采集装置

4．2．4 实验软件

4．3 螺栓预紧力测试

4．4 实验结果分析

4．4．1 响应信号分析

4．4．2 聚焦信号分析

4．5 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的论文

附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目