基于模态分析和RBF神经网络的CFRP搭接板螺栓松动识别方法研究
发布时间：2021-04-07 05:35
碳纤维增强环氧树脂复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer,简称CFRP）具有“比钢强比铝轻”的特点,是目前最受重视的先进复合材料之一。在实际工程应用中,螺栓连接具有承载能力大,便于拆装等优点而被广泛应用于CFRP连接结构,其螺栓连接状态直接影响到结构运行性能。因此,对螺栓连接状态进行健康监测和早期连接状态识别显得尤为重要。基于模态分析的动力检测方法是一种全局检测方法,具有单点测量全局检测的优点,这对CFRP这类多螺栓连接结构的连接状态检测具有显著的优势。本文通过建立螺栓结合面连接刚度模型和高精度的CFRP有限元分析模型的方法研究螺栓预紧力对固有频率的影响特性,并结合RBF人工神经网络算法分步实现松动螺栓定位和预紧力定量辨识,论文完成的主要工作包括:（1）螺栓结合面连接刚度特性动力学建模理论分析。基于螺栓结合面接触刚度分形理论,针对CFRP材料分析计算螺栓预紧力对螺栓结合面接触刚度的作用规律,并在此基础上进一步讨论基于虚拟材料层模型的螺栓结合面连接刚度建模方法。（2）螺栓预紧力对虚拟材料层模型参数的影响特性分析。讨论螺栓预紧力对虚拟材料层模型几何参数和物...
【文章来源】：济南大学山东省
【文章页数】：104 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
中华航空120号班机空难
基于模态分析和RBF神经网络的CFRP搭接板螺栓松动识别方法研究4基于声弹性原理的螺栓预紧力检测是一种最为普遍的超声检测技术。当螺栓连接松动时会导致螺栓内部应力下降，而应力变化会对超声波传播速度产生影响，进而导致超声波在螺栓中飞行时间发生变化[18]。实验证明，在弹性应变范围内，轴向应力与超声波飞行时间近似呈现一阶线性关系[19]。因此，通过测量超声波螺栓中输入波和反射波的时间差，即超声波在螺栓中的飞行时间，就可以对螺栓预紧松动状态加以识别，该过程的具体工作原理如图1.2所示。图1.2声弹性原理预紧力检测工作原理图目前，基于声弹性原理的螺栓预紧力检测技术逐渐发展起来，北京工业大学何存富等[20]为了解决温度因素对螺栓紧固应力超声测量影响，提出了对于温度的修正方法，获得了螺栓预紧力测量过程中温度修正曲线，并证明了在温度影响情况下，纵横波相结合方法优于纵波测量法；北京理工大学徐春广等[21]为了解决螺栓在低载荷和高载荷情况下栓体轴向应力测量系数不同问题，分类讨论了高、低应力载荷条件下应力测量系数计算办法，使得螺栓轴向应力测量实际结果与理论值平均误差小于2.9367%。中国工程物理研究院韩玉强等[22]分析了诸多因素对声弹性法测量影响特性，试验发现超声时差与应力呈线性关系，弹性模量、泊松比以及螺栓长度决定声弹性系数，不同应力非均匀区占比的螺栓应力测量误差相同，螺栓反复拉伸对声弹性螺栓应力测量误差存在影响。基于声弹性原理的螺栓松动检测技术虽然能够实现快速精确的识别螺栓的松动状态，但是由于飞行时间识别精度很高，需要达到纳秒级别，因此只有专用的精密仪器才能达到精度要求，这就导致识别成本较高，很难在工业现场广泛应用。（2）基于能量散射原理的螺栓松动检测技术
济南大学硕士学位论文5情况下，随着螺栓预紧力增大，螺栓结合面的微凸体的接触面积增大，导致整个螺栓结合面的接触面积增大[23]。当超声波通过螺栓结合面时，接触表面的连接状况会导致波信号发生透射和反射等能量耗散耗散现象，该过程的具体原理如图1.3所示。因此，通过分析透射波和反射波信号特性，可以对螺栓松动加以识别。图1.3超声波在螺栓结合面传播特性由于透射波与螺栓结合面的连接状态存在密切关系，基于透射波螺栓预紧力研究得到了广泛关注。武汉科技大学王涛等[24]基于螺栓结合面实际轮廓特性建立限元模型，研究超声波通过螺栓连接界面的耗散特性，研究发现声波能量耗散与螺栓预紧力呈现反比关系，波能界面耗散随着螺栓预紧力的增大而单调减小，但当螺栓预紧力增大到一定程度以后，能量耗散现象变化趋于平稳。西北工业大学杜飞等[25]以透射波信号均方根偏差作为预紧力表征指标进行法兰螺栓松动检测研究，研究发现，响应信号的幅值随着螺栓预紧力的减小而减小，当存在1个或2个螺栓松动时，与松动螺栓最近的压电片响应的均方根偏差最大，且螺栓松动的数目及位置会对压电片阵列的均方根偏差值及分布产生影响。厦门大学Liang等[26]为实现解决多螺栓松动识别问题，引入分类和决策概念，并试验证明了该方法对螺栓定位问题的准确性。1.3.2基于压电阻抗的螺栓松动检测技术压电阻抗法是近十几年来发展起来的一种无损检测方法，该方法基于压电材料（简称PZT）的正逆压电效应，使得其既可以作为驱动器，又可以作为传感器。将压电材料粘贴于被测结构表面，当给压电材料施加高频激励信号后，压电材料将会带动被测物产生机械振动，同时包含被测物动力学特性（刚度、阻尼等）的振动响应信号又会反过来作用于压电材料，导致压电材料的反馈电
本文编号：3122905
【文章来源】：济南大学山东省
【文章页数】：104 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
中华航空120号班机空难
基于模态分析和RBF神经网络的CFRP搭接板螺栓松动识别方法研究4基于声弹性原理的螺栓预紧力检测是一种最为普遍的超声检测技术。当螺栓连接松动时会导致螺栓内部应力下降，而应力变化会对超声波传播速度产生影响，进而导致超声波在螺栓中飞行时间发生变化[18]。实验证明，在弹性应变范围内，轴向应力与超声波飞行时间近似呈现一阶线性关系[19]。因此，通过测量超声波螺栓中输入波和反射波的时间差，即超声波在螺栓中的飞行时间，就可以对螺栓预紧松动状态加以识别，该过程的具体工作原理如图1.2所示。图1.2声弹性原理预紧力检测工作原理图目前，基于声弹性原理的螺栓预紧力检测技术逐渐发展起来，北京工业大学何存富等[20]为了解决温度因素对螺栓紧固应力超声测量影响，提出了对于温度的修正方法，获得了螺栓预紧力测量过程中温度修正曲线，并证明了在温度影响情况下，纵横波相结合方法优于纵波测量法；北京理工大学徐春广等[21]为了解决螺栓在低载荷和高载荷情况下栓体轴向应力测量系数不同问题，分类讨论了高、低应力载荷条件下应力测量系数计算办法，使得螺栓轴向应力测量实际结果与理论值平均误差小于2.9367%。中国工程物理研究院韩玉强等[22]分析了诸多因素对声弹性法测量影响特性，试验发现超声时差与应力呈线性关系，弹性模量、泊松比以及螺栓长度决定声弹性系数，不同应力非均匀区占比的螺栓应力测量误差相同，螺栓反复拉伸对声弹性螺栓应力测量误差存在影响。基于声弹性原理的螺栓松动检测技术虽然能够实现快速精确的识别螺栓的松动状态，但是由于飞行时间识别精度很高，需要达到纳秒级别，因此只有专用的精密仪器才能达到精度要求，这就导致识别成本较高，很难在工业现场广泛应用。（2）基于能量散射原理的螺栓松动检测技术
济南大学硕士学位论文5情况下，随着螺栓预紧力增大，螺栓结合面的微凸体的接触面积增大，导致整个螺栓结合面的接触面积增大[23]。当超声波通过螺栓结合面时，接触表面的连接状况会导致波信号发生透射和反射等能量耗散耗散现象，该过程的具体原理如图1.3所示。因此，通过分析透射波和反射波信号特性，可以对螺栓松动加以识别。图1.3超声波在螺栓结合面传播特性由于透射波与螺栓结合面的连接状态存在密切关系，基于透射波螺栓预紧力研究得到了广泛关注。武汉科技大学王涛等[24]基于螺栓结合面实际轮廓特性建立限元模型，研究超声波通过螺栓连接界面的耗散特性，研究发现声波能量耗散与螺栓预紧力呈现反比关系，波能界面耗散随着螺栓预紧力的增大而单调减小，但当螺栓预紧力增大到一定程度以后，能量耗散现象变化趋于平稳。西北工业大学杜飞等[25]以透射波信号均方根偏差作为预紧力表征指标进行法兰螺栓松动检测研究，研究发现，响应信号的幅值随着螺栓预紧力的减小而减小，当存在1个或2个螺栓松动时，与松动螺栓最近的压电片响应的均方根偏差最大，且螺栓松动的数目及位置会对压电片阵列的均方根偏差值及分布产生影响。厦门大学Liang等[26]为实现解决多螺栓松动识别问题，引入分类和决策概念，并试验证明了该方法对螺栓定位问题的准确性。1.3.2基于压电阻抗的螺栓松动检测技术压电阻抗法是近十几年来发展起来的一种无损检测方法，该方法基于压电材料（简称PZT）的正逆压电效应，使得其既可以作为驱动器，又可以作为传感器。将压电材料粘贴于被测结构表面，当给压电材料施加高频激励信号后，压电材料将会带动被测物产生机械振动，同时包含被测物动力学特性（刚度、阻尼等）的振动响应信号又会反过来作用于压电材料，导致压电材料的反馈电
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