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评估法兰结构螺栓松动的改进损伤指标研究

唐涛 华明军 姜勰 张玉祥 张鑫

唐涛, 华明军, 姜勰, 等 . 评估法兰结构螺栓松动的改进损伤指标研究[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(1): 123-131. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0649
引用本文: 唐涛, 华明军, 姜勰, 等 . 评估法兰结构螺栓松动的改进损伤指标研究[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(1): 123-131. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0649
TANG Tao, HUA Mingjun, JIANG Xie, et al. Research on Improved damage index for evaluating bolt looseness of flange structures[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(1): 123-131. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0649(in Chinese)
Citation: TANG Tao, HUA Mingjun, JIANG Xie, et al. Research on Improved damage index for evaluating bolt looseness of flange structures[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(1): 123-131. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0649(in Chinese)

评估法兰结构螺栓松动的改进损伤指标研究

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0649
基金项目: 

国家自然科学基金 51975581

详细信息
    作者简介:

    唐涛  男, 博士研究生。主要研究方向:结构健康监测

    张玉祥  男, 博士, 教授, 博士生导师。主要研究方向:结构健康监测

    通讯作者:

    张玉祥, E-mail: yuxiangz@tom.com

  • 中图分类号: V19;TB381;TM282

Research on Improved damage index for evaluating bolt looseness of flange structures

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 51975581

More Information
  • 摘要:

    基于压电阻抗法的采用统计学参数作为损伤指标评估螺栓松动的方法有着广泛的应用,然而采用该方法的试验对象多数为实验室条件下的板等结构,并非真实结构。因此,针对真实的法兰结构,这些损伤指标是否适用、是否需要改进仍需进一步研究。通过实验,得出不同损伤指标与法兰结构螺栓松动之间的规律:螺栓松动的程度越大位置越近,均方根偏差(RMSD)、平均绝对百分比偏差(MAPD)、相关系数差(CCD)的值越大,而指标Ry/Rx因无显著规律不适合作为评估法兰结构螺栓松动的损伤指标。通过对比结果发现:结构差异对前3个损伤指标均有不同程度的影响,改进后的损伤指标均方根变化率(RMSCR)只与法兰结构螺栓松动的位置和程度有关,受结构差异影响小。因此,RMSCR具有重要实践意义:当任一压电片损坏时只需更换为同型号的压电片即可,无需更新损伤指标库。通过实验验证了上述结果的正确性与基于RMSCR的法兰结构螺栓松动检测方法的适用性。

     

  • 图 1  压电阻抗法原理图

    Figure 1.  Schematic of piezoelectric impedance method

    图 2  实验原理图

    Figure 2.  Schematic of experiment

    图 3  实验装置

    Figure 3.  Experimental device

    图 4  压电片1不同工况下的阻抗谱曲线

    Figure 4.  Impedance spectrum curves of piezoelectric sensor 1 under different working conditions

    图 5  RMSD曲线

    Figure 5.  Curves of RMSD

    图 6  MAPD曲线

    Figure 6.  Curves of MAPD

    图 7  CCD曲线

    Figure 7.  Curves of CCD

    图 8  Ry/Rx曲线

    Figure 8.  Curves of Ry/Rx

    图 9  RMSCR曲线图

    Figure 9.  Curve of RMSCR

    图 10  螺栓松动定位示意图

    Figure 10.  Schematic diagram of positioning bolt looseness

    图 11  压电片布局

    Figure 11.  Layout of piezoelectric sheet

    图 12  RMSD直方图

    Figure 12.  Histogram of RMSD

    图 13  MAPD直方图

    Figure 13.  Histogram of MAPD

    图 14  CCD直方图

    Figure 14.  Histogram of CCD

    图 15  Ry/Rx直方图

    Figure 15.  Histogram of Ry/Rx

    图 16  RMSCR直方图

    Figure 16.  Histogram of RMSCR

    表  1  损伤指标RMSD

    Table  1.   Damage index RMSD

    压电片编号 螺栓预紧力矩/(N·m)
    40 35 30 25 20 15 10 5 0
    1 0.003 0.052 0.066 0.071 0.076 0.085 0.088 0.090 0.104
    2 0.002 0.050 0.073 0.080 0.086 0.096 0.098 0.101 0.106
    3 0.003 0.044 0.060 0.066 0.071 0.076 0.078 0.079 0.085
    4 0.003 0.032 0.044 0.047 0.050 0.054 0.054 0.056 0.064
    5 0.001 0.023 0.031 0.036 0.041 0.042 0.044 0.047 0.059
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    表  2  损伤指标MAPD

    Table  2.   Damage index MAPD

    压电片编号 螺栓预紧力矩/(N·m)
    40 35 30 25 20 15 10 5 0
    1 1.05 15.02 20.38 22.61 23.57 25.51 26.56 26.95 30.99
    2 0.81 13.48 19.76 21.61 23.82 26.78 27.44 28.46 31.32
    3 1.35 12.17 15.44 17.43 19.23 21.07 21.63 22.34 25.08
    4 0.91 9.44 14.41 15.15 16.33 18.40 17.69 18.57 20.19
    5 0.45 7.23 9.59 10.61 11.79 12.93 13.47 14.06 16.71
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    表  3  损伤指标CCD

    Table  3.   Damage index CCD

    压电片编号 螺栓预紧力矩/(N·m)
    40 35 30 25 20 15 10 5 0
    1 0.003 0.011 0.016 0.018 0.020 0.025 0.027 0.028 0.036
    2 0.003 0.011 0.020 0.024 0.028 0.034 0.035 0.037 0.040
    3 0.003 0.006 0.010 0.011 0.013 0.014 0.015 0.015 0.017
    4 0.003 0.005 0.008 0.009 0.010 0.011 0.011 0.011 0.014
    5 0.003 0.004 0.004 0.005 0.006 0.006 0.006 0.007 0.009
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    表  4  损伤指标Ry/Rx

    Table  4.   Damage index Ry/Rx

    压电片编号 螺栓预紧力矩/(N·m)
    40 35 30 25 20 15 10 5 0
    1 0.001 0.002 0.004 0.009 0.008 0.008 0.008 0.005 0.010
    2 0.000 0.002 0.001 0.003 0.006 0.006 0.009 0.004 0.004
    3 0.000 0.005 0.001 0.000 0.001 0.003 0.004 0.001 0.004
    4 0.000 0.001 0.005 0.005 0.004 0.004 0.005 0.005 0.002
    5 0.000 0.000 0.001 0.002 0.003 0.002 0.001 0.000 0.007
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    表  5  损伤指标RMSCR

    Table  5.   Damage index RMSCR

    压电片编号 螺栓预紧力矩/(N·m)
    40 35 30 25 20 15 10 5 0
    1 0.005 0.051 0.069 0.075 0.080 0.090 0.093 0.093 0.107
    2 0.004 0.050 0.067 0.073 0.080 0.089 0.092 0.095 0.105
    3 0.005 0.041 0.056 0.063 0.067 0.072 0.073 0.076 0.084
    4 0.004 0.034 0.049 0.053 0.057 0.063 0.063 0.065 0.071
    5 0.002 0.026 0.033 0.036 0.042 0.045 0.046 0.049 0.061
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    表  6  验证实验中的损伤指标RMSD

    Table  6.   Damage index RMSD in verification experiment

    压电片编号 螺栓预紧力矩/(N·m)
    40(1#) 20(1#) 0(1#) 40(2#) 20(2#) 0(2#) 40(3#) 20(3#) 0(3#) 40(4#) 20(4#) 0(4#)
    1 0.001 0.063 0.081 0.001 0.037 0.046 0 0.035 0.046 0.001 0.064 0.083
    2 0.002 0.053 0.069 0.002 0.055 0.067 0.001 0.027 0.038 0.001 0.026 0.039
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    表  7  验证实验中的损伤指标MAPD

    Table  7.   Damage index MAPD in verification experiment

    压电片编号 螺栓预紧力矩/(N·m)
    40(1#) 20(1#) 0(1#) 40(2#) 20(2#) 0(2#) 40(3#) 20(3#) 0(3#) 40(4#) 20(4#) 0(4#)
    1 0.573 10.11 15.32 0.678 6.730 9.019 0.640 7.012 9.181 0.550 10.07 14.89
    2 0.434 8.630 13.61 0.672 8.441 13.49 0.511 5.981 7.873 0.512 5.871 7.903
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    表  8  验证实验中的损伤指标CCD

    Table  8.   Damage index CCD in verification experiment

    压电力编号 螺栓预紧力矩/(N·m)
    40(1#) 20(1#) 0(1#) 40(2#) 20(2#) 0(2#) 40(3#) 20(3#) 0(3#) 40(4#) 20(4#) 0(4#)
    1 0.002 0.089 0.110 0.002 0.041 0.062 0.001 0.044 0.063 0.002 0.086 0.107
    2 0.002 0.063 0.093 0.001 0.067 0.096 0.001 0.031 0.043 0.002 0.034 0.045
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    表  9  验证实验中的损伤指标Ry/Rx

    Table  9.   Damage index Ry/Rx in verification experiment

    压电片编号 螺栓预紧力矩/(N·m)
    40(1#) 20(1#) 0(1#) 40(2#) 20(2#) 0(2#) 40(3#) 20(3#) 0(3#) 40(4#) 20(4#) 0(4#)
    1 0.001 0.031 0.037 0.002 0.027 0.028 0.001 0.024 0.021 0.000 0.034 0.041
    2 0.000 0.035 0.040 0.001 0.043 0.041 0.001 0.030 0.028 0.002 0.028 0.031
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    表  10  验证实验中的损伤指标RMSCR

    Table  10.   Damage index RMSCR in verification experiment

    压电片编号 螺栓预紧力矩/(N·m)
    40(1#) 20(1#) 0(1#) 40(2#) 20(2#) 0(2#) 40(3#) 20(3#) 0(3#) 40(4#) 20(4#) 0(4#)
    1 0.023 0.427 0.489 0.021 0.302 0.344 0.018 0.297 0.351 0.015 0.420 0.487
    2 0.021 0.430 0.495 0.024 0.427 0.489 0.020 0.289 0.346 0.015 0.291 0.350
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-29
  • 录用日期:  2020-03-02
  • 网络出版日期:  2021-01-20

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