[发明专利]一种基于改进时间反转法的螺栓预紧力矩超声导波监测方法

说明书

本发明涉及一种基于改进时间反转法的螺栓预紧力矩超声导波监测方法，改进了时间反转法，在监测过程中采用了唯一的标准时反重发射信号，使得对信号相位的比较成为可能，进而提高了对螺栓预紧力矩的监测范围和准确度。

技术领域

本发明涉及结构健康监测技术，具体涉及一种基于超声导波的螺栓预紧力矩监测方法。

背景技术

螺栓连接广泛存在于机械、土木、能源和航空航天工程领域。为确保工程结构的安全服役，时刻保证螺栓处于正常工作状态是一个重要前提。然而，振动、冲击等外部力学环境，以及长期服役过程中的螺栓应力松弛都可能导致螺栓预紧力矩下降、连接松动，严重威胁结构安全。目前，工程中对螺栓预紧力矩的检测可通过传统无损检测技术实现，如超声体波方法。然而，无损检测技术需要大型设备支持，具有不适合实时在线监测的缺点。也可以在螺栓上安装压力传感器来测量螺栓力矩。而在每个螺栓上安装压力传感器，当螺栓数目庞大时将带来巨大的成本问题，且对于航空航天器而言，由众多传感器及线缆带来的附加质量问题也是难以忍受的。

为对螺栓松动实施在线监测，目前学者提出了基于振动测试、基于阻抗和基于超声导波等的结构健康监测方法。结构健康监测技术相较于常规无损检测方法，减少了繁琐的检测步骤，且能够适用于实时在线的监测方案。然而，基于振动测试的方法只能识别如螺栓脱落等大损伤，不具备定量识别螺栓预紧力矩的能力；而基于阻抗的方法需要采用昂贵的高精度的阻抗分析仪，且其监测范围仅局限于探头周围较小的区域。针对螺栓预紧力矩的监测问题，基于超声导波的方法具有独特的优势:所需的压电传感器可以同时发射和接收超声导波信号，同时超声导波在薄壁结构中可以传播较远的距离，分辨率较高，且不受周围环境低频振动的影响。

但是，由于导波的频散、多模态和边界反射的影响，使得对导波的分析相比于体波而言更加复杂而困难。因此学者提出了时间反转法来对导波信号进行处理。时间反转法可以补偿由于频散、多路径、多模态对响应信号的干扰，使螺栓松动的信息能够集中体现在时反聚焦波包中。这使得基于时间反转法的超声导波方法具有更高的监测精度，且具有能够在复杂螺栓连接结构中应用的优势。

根据已有公开文献([1]Tao W,Shaopeng L,Junhua S,et al.Health monitoringof bolted joints using the time reversal method and piezoelectric transducers[J].Smart Materials&Structures,2016,25(2):025010.[2]Parvasi S M,Ho S C M,KongQ,et al.Real time bolt preload monitoring using piezoceramic transducers andtime reversal technique—a numerical study with experimental verification[J].Smart Materials and Structures,2016,25(8):085015.)，目前基于时间反转的导波方法采用的表征螺栓松动的特征参量还比较单一，即仅采用了基于时反聚焦波包幅值的特征参量。基于幅值的特征参量的缺点主要体现为在高预紧力矩下特征参量的饱和现象。这导致在高预紧力矩下，特征参量无法反应预紧力距的变化情况。这一缺点严重限制了导波方法对螺栓预紧力矩的监测范围。

实际上，螺栓预紧力矩的变化除了会影响导波信号的幅值外，还会影响信号的相位。然而传统的时间反转法由于每次监测时反向发射的时反重发射信号(the timereversed reemitting signal)都不相同，因此难以比较信号的相位变化。本发明针对这一问题，改进了时间反转法，在监测过程中采用了唯一的标准时反重发射信号，使得对信号相位的比较成为可能，进而提高了对螺栓预紧力矩的监测范围和准确度。

发明内容

要解决的技术问题