基于压电阻抗法的机械螺栓组松动监测及识别

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

螺栓连接广泛应用于各类土木工程结构和机械装配结构中，由于受到振动、冲击和高温蠕变等影响机械螺栓连接结构可能出现滑动、分离甚至脱落，从而影响结构的安全性能和使用性能；甚至导致结构出现失效引起灾难性的后果。所以对重要结构在役期间的螺栓组进行实时的状态监测对降低事故的发生率和预防重大事故具有重要的实际意义和工程价值。

由于装配结构中连接的存在导致结构局部的刚度和阻尼的不连续，螺栓的连接问题是典型的非线性问题。当螺栓松动时，它在结合面的切线方向上会发生相对滑移，在法线方向上发生脱离。间隙和摩擦是螺栓连接在振动环境中的两种典型非线性行为，所以它的动态特性将表现得非常复杂。国内外学者在螺栓结构的状态识别和降监测领域2013年 3月 15日收到，2013年3月29日修改 十-五”国家科技支撑计划项 目(2009BAK58B02)资助第-作者简介：叶 亮(1988-)，男，硕士研究生。研究方向：压电阻抗方法及降监测。E-mail：yelian 4-0###sina.corn。

通信作者简介：端勤(1968～)，男，研究员，博士。研究方向：电磁检测技术与仿真、结构降监测与评估等。E-mail：kqding###si-na.Com 开展了大量的工作，发展了基于振动分析、非线性动力学分析和混沌理论方法的螺栓连接状态监测和识别方法，但目前仍缺乏可靠的监测方法 。

随着智能材料领域的发展，-些新的传感器被应用了结构降监测的研究。其中基于压电元件的压电阻抗方法(EMI)因其工作的频段较高，对结构诸如裂纹和螺栓松动等缺陷敏感，同时压电元件具有成本低廉、激励电压低和对复杂结构的适应性强等特点，因此在结构降监测领域具有广泛应用前景的方法 J。国内外的诸多研究成果 也已经表明，压电阻抗方法是-个有潜力使用在机械工程和土木工程中降监测的新方法。

粘结层 PZT图 1 压电片与结构的粘结1 基于压电阻抗方法的监测原理基于压电元件的阻抗方法是压电材料的正逆l8期 叶 亮，等：基于压电阻抗法的机械螺栓组松动监测及识别压电效应8 在结构损伤诊断和监测方面的应用，其基本原理是：如图 1所示～压电元件与结构耦合后，通过施加高频交流电压激励压电元件并用精密阻抗仪提取压电元件的阻抗信息。通过分析压电元件的阻抗谱变化从而间接判断出结构的损伤状况。在仅考虑轴向伸缩变形的情况下，压电元件与结构的相互作用模型可简化为-个质量-刚度.阻尼系统，Liangl9 推导出了如图2所示的-维压电耦合模型下粘贴压 电片的主动结构系统的压 电导纳公式：) [ - d； ] (1)式(1)中，Ot为压电片的几何常数； 为电流的圆频率； T ，T(1- )为力学自由条件下的复合介电常数；rErE(1卵)为压电元件在零电场下的复合杨氏模量；'7为机械品质因子；d 为 PZT的压电耦合常数；Z ( )和 z (tO)分别为压电片的阻抗和结构的机械阻抗。试验 中狈4得的阻抗 与导纳 的关系为：z( )1/Y( ) (2)图2 压电元件与结构的机电耦合模型假设在对结构的监测期间，压电片的自身机械及电学特性并不发生变化，式(2)表明结构的机械阻抗同压电片的阻抗是直接相关的，结构的任何损伤导致的机械阻抗的变化可以通过压电片的阻抗信息表征出来。由于阻抗虚部对粘结层特性比较敏感，而实部对结构的完整性更为敏感，所以在结构损伤识别中通常用压电阻抗的实部信息来判断结构的降状况 。

2 实验与分析2.1 实验装置实验装置由Agilent公司的HP4395A网络频谱阻抗分析仪，PZT压电陶瓷片，计算机，8.8级 M12高强度螺栓组及垫片，两块尺寸为 400 mm×200mm×8 mm的Q235钢板组成。

图3 实验装置图3中的 HP4395A是-款能凭借自动电桥平衡技术对元件和电路进行高效率阻抗测量和分析的综合测试仪器，在阻抗测量中使用的夹具型号为16092A，通过 GPIB接口与计算机相连进行实时数据采集。粘结剂选用 -氰基丙烯酸乙酯，密度为0.9×10 k m ，泊松比为 0.4，弹性模量为 5.6×l0 Pa。选用的压电元件为机电耦合系数较高的PZT-5型压电陶瓷，具有较高的机电转换效率和灵敏度，电极布置方式为单面双极型，即在压电陶瓷片PZT的下表面通过镀银将电极翻转至上表面，通过绝缘材料与上表面的电极分开，在单面施加 电压，从而避免使用铜箔而导致的结合面状况的不-致。所用 PZT尺寸为 西l6×2 mm，各项主要性能参数如表 1。

表 1 PZT重要特性参数表2.2 扫描频率的选择为了能感应结构的刚度和阻尼的微小变化，要求压电元件激励的波长较短，所 以选择的频率较高 ，通常在30500 kHz。频率过低对结构的微小损伤将不敏感，而频率过高则会导致PZT对温度科 学 技 术 与 工 程 13卷和粘结层等边界条件过于敏感，从而影响对损伤信息的判断。在 PZT压电片尚未粘贴到结构之前，在25-500 kHz之间通过频谱图来确定扫描频率，图4所示为 PZT在 自由状态下的阻抗实部 Re(z)的频谱图∩以看出在此范围内，PZT的几个模态频率在 155，215，260和320 kHz附近，模态频率附近的阻抗信息往往会包含更多的结构损伤信息。但在260 kHz和320 kHz附近阻抗值较小，因此实验选定的扫面频段为 120-220 kHz。

9 0007 5006 000S 4 5003 0001 5000确 扫辅艉 鼢t I. ·f /、. ..- L 。

U lUU UO0 ZUU UUU 300 UUU 400 000 3UO UOU频率/Hz图4 自由状态下 PZT的阻抗实部频谱图2.3 实验过程与分析2.3.1 单个螺栓松动的监测螺栓组及 PZT的位置及编号如图5。松动所有螺栓，然后通过定力矩扳手将 6号螺栓加载至 70N·m，测量 PZT61、PZT62和 PZT63的阻抗曲线定义为基准值，随后将扭矩从 50 N·m调整至完全松动，调整的问隔为 10 N·m，在整个实验过程中保持边界条件不变。每次调整以后都测量-次阻抗曲线，从阻抗曲线中能直观地发现它的变化，以 PZT61为例，其阻抗曲线变化如图6所示，可以看出PZT61对6号螺栓的扭矩变化表现出了较高的敏感性。当扭矩减小时阻抗值发生了变化，主要为局部阻抗幅值的变化和模态频率的偏移，引起此变化的主要原因是螺栓的松动导致螺栓连接处的局部刚度的降低和阻尼的增加，同时板件的两个连接面的状态也发生了变化，造成了 PZT产生的弹性波的能量耗散途径的改变。

另外，可以观察到当扭矩从较低水平(10 N·m)下降到完全松动(0 N·m)时，阻抗曲线实部发生了图 5 螺栓组及 PZT编号较大的变化，各个频段的阻抗实部均出现了-定程度的增加。说明当单个螺栓连接的板件完全松动时，板件结合面的接触可能发生了滑移或脱离，从而导致 PZT与板件耦合后的边界条件发生较大变化。

图6(a)表示70-30 N·m的阻抗实部变化图，6(b)则表示从 30 N·m到完全松动的阻抗实部变化。

频率/Hz(a)从 7O N·/l/到30 N·//的阻抗实部变化频率 /Hz(a)从 30N·m到完全松动的阻抗实部变化图6 6号螺栓松动对PZT61阻抗实部信号的影响为了进-步利用阻抗的测量值来定量地分析18期 叶 亮，等：基于压电阻抗法的机械螺栓组松动监测及识别螺栓松动的严重程度，引入均方根值(RMSD)作为损伤系数，其计算表达式如式(3)。

MSD： (3) J l Re(Zi， )j式(6)中，Re(z )为螺栓无松动时的阻抗实部；Re(zi )为螺栓出现-定程度松动时的阻抗实部， 为第 i个扫描频率点；n为扫描点的个数，本实验中的扫描点数为800个。定义扭矩为70 N·m时的螺栓为降状态，以其阻抗曲线的实部作为基准线。

61、62、63号 PZT中心与6号螺栓中心的距离分别为80 mm、160 mm、240 mm。在多次重复测量中，因扫描时刻的不同而引起的损伤指数变化小于0.02，数据呈现出较高的稳定性。图7所示为三个 PZT对 6号螺栓松动的监测结果。

O 25O 2OQ塞o 15O 100.0550 4O 3O 20 10 06号螺栓扭矩值/(N·m)图 7 不同位置 PZT在 6号螺栓不同扭矩下的损伤系数从图7中可以看出，三个 PZT均能感应到 6号螺栓的扭矩变化，但距离螺栓位置更近的PZT表现出更高的敏感性，损伤系数变化的范围也更大。从三个PZT的损伤系数中可以看出在40-10 N·m损伤系数同螺栓的扭矩之间呈现了-定的线性关系，但当扭矩从较低的 10 N·m到完全松动时损伤系数增加明显，因此 PZT对螺栓出现完全松动的状况非常敏感 ，合理地布置 PZT能监测识别螺栓结构的松动。

2.3.2 分布式 PZT对螺栓组松动的监测与识别用定力矩扳手将所有螺栓均加载至 2O N·nl，测得六个 PZT的阻抗曲线作为降状况时的基准曲线。保持边界条件不变，完全松动 1号螺栓保持其它螺栓不变分别测量六个 PZT的阻抗实部信号。

随后将 1号螺栓加载至 2O N·m，完全松动 2号螺栓，测量六个 PZT的阻抗实部信号，以此类推，分别测量单个螺栓松动时1号至6号PZT的阻抗实部信息。并计算损伤系数RMSD，得到的结果如下表：表2 分布式PZT监测单个螺栓松动的损伤系数螺栓序号从表中可以看出，当1号螺栓松动时，距离其较近的PZT1和 PZT2监测得到的损伤系数较大，另外四个PZT得到的损伤系数略小，而其他单个螺栓松动时也有类似的结论，虽然损伤系数不与PZT距离螺栓中心的位置成线性关系，但依旧可以综合六个PZT监测得到的损伤系数实现对螺栓组损伤的基本定位。同时，对比图7可以看出，在螺栓组只有单个螺栓出现松动时，损伤系数均小于 0.14，而由单个螺栓连接的两块板件在出现完全松动时，损伤系数达到了0.25，说明当螺栓组只有单个螺栓松动时主要是局部的接触条件发生变化，而边界条件的变化较小，这也与推测相符合。

3 结论以工程结构中常见的机械螺栓组为对象，研究了基于高频压电阻抗的螺栓松动监测与识别方法。

以PZT压电陶瓷的阻抗实部信号作为表征量能反映螺栓扭力值的变化，用均方根值(RMSD)算法来处理阻抗信号并以RMSD值作为螺栓松紧程度的损伤系数是可行的，在螺栓在扭矩较大时发生轻微松动时，损伤系数变化较小，但损伤系数与扭矩在-定范围内呈现出-定的线性关系，而当螺栓出现完全松动时，损伤系数变化更明显，表现出对螺栓连接面接触状况的高度敏感性。另外，通过大量分布式的 PZT可以实现对螺栓组的螺栓松动的基本定位。

咖叭 唧 m m P-n nn n 00巧～卯如 卯 鼹 髂 -m P-OOO 0O OO O4968853)哪嘶嗽 忉Ⅲf0 O0(CmⅢ Ⅲn0 00 懈m嗍---～-～瑚5176 科 学 技 术 与 工 程 13卷