基于螺母外侧压电材料阻抗峰值频率变化的螺栓松动监测

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1、分类号学号２０１５０３７０３０６４学校代码１０４８８密级硕士学位论文基于螺母外侧压电材料阻抗峰值频率变化的螺栓松动监测学位申请人：汪正傲学科专业：机械工程指导教师：李友荣答辩日期：２０１８年５月ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterinEngineeringBoltLoosenessMonitoringBasedonthePeakFrequencyShiftofPiezoelectricMaterialontheNutMaster

2、Candidate：WangZhengaoMajor：MechanicalEngineeringSupervisor：Prof.LiYourongWuhanUniversityofScienceandTechnologyWuhan,Hubei430081,P.R.ChinaMay,2018摘要螺栓作为主要的联接和传力零件，被广泛地应用在工程实际中，它的安全性能直接关系到整个机构的安全。螺栓联接松动可能引起整个结构和设备发生故障，甚至会造成灾难性的事故，而螺栓的松紧程度以及疲劳损伤情况又往往难以直接判断，为了避免由此带来的灾难性后果，对螺栓进行实时在线健康监测显得尤为重要。对于地脚螺栓

3、之类埋藏于结构中的螺栓联接结构，从螺母外侧面上的压电材料中提取信息十分方便。因此本文采用基于螺母外侧压电材料阻抗峰值频率变化的方法对螺栓联接状态进行监测，主要内容如下：（1）从理论上分析了机电耦合结构的电导纳公式并引入了逐点动态刚度理论。由于结构动态刚度的改变将会影响压电材料的谐振频率，而螺栓的轴向力变化将会影响结构动态刚度的改变，从而使螺栓的轴向力与耦合结构的导纳峰值频率之间建立了关系，为监测螺栓预紧力大小提供了理论支持。（2）对螺母的受力状态进行有限元仿真，揭示螺母侧面应力状态与螺栓预紧力之间的关系。结合动态刚度理论，提出在螺母侧面粘贴压电材料，通过提取压电材料阻抗峰值频率变化来

4、进行螺栓联接状态监测的方法。（3）构建了螺栓联接状态监测实验装置并制作了相应的实验夹具，设计不同的实验方案，研究粘贴在螺母侧面的压电材料的不同尺寸以及不同的粘贴位置对导纳峰值频率的影响。建立了螺栓预紧力与导纳峰值频率之间的关系曲线，利用该关系曲线实现对螺栓预紧力大小的定量监测。关键词：螺栓联接状态监测；压电阻抗；峰值频率变化；逐点动态刚度；螺母IAbstractBolts,asthemainconnectionandforcetransmissionparts,arewidelyusedinengineeringpractice.Itssafetyperformanceisdirec

5、tlyrelatedtothesafetyoftheentireorganization.Looseconnectionofboltsmaycausefailureoftheentirestructureandequipment,andmayevencausecatastrophicaccidents.Thedegreeoftightnessofboltsandfatiguedamageareoftendifficulttodirectlyjudge.Toavoidthecatastrophicconsequencescausedthereby,boltsaresubjectedto

6、real-timeOnlinehealthmonitoringisespeciallyimportant.Forboltconnectiondevicesuchasananchorthattheboltisburiedinthestructure,itisconvenienttoextractinformationfromthepiezoelectricpatchwhichisbondedontheoutsidesurfaceofthenut.Therefore,inthispaper,theboltconnectionstatusismonitoredbasedonthefrequ

7、encychangeoftheimpedanceofthepiezoelectricpatchoutsidethenut.Themaincontentsareasfollows:（1）Thetheoryofelectricaladmittanceforelectromechanicalcouplingstructuresistheoreticallyanalyzedandthepoint-by-pointdynamicstiffnesstheoryisin