振动声学技术利用锤击法在螺栓疲劳开裂检测方法研究.pdf
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1、中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期:2023 年 12 月 23 日 作者简介:贾永刚(1982),男,汉族,辽宁瓦房店人,大学本科,辽宁省计量科学研究院,高级工程师,研究方向为力学,声学。-75-振动声学技术利用锤击法在螺栓疲劳开裂检测方法研究 贾永刚 辽宁省计量科学研究院,辽宁 沈阳 110004 摘要:摘要:工程应用对结构可靠性的迫切需求使螺栓连接的健康监测成为焦点。本研究针对 M30200 mm 螺栓,提出并验证了一种基于振动声学技术的裂纹缺陷检测方法。结合锤击试验、模态仿真及理论推导,实验数据揭示该方法可准确识别至少 2 mm 的裂纹深度。振动声学不仅能定位裂纹,还能估其深度,特
2、别是螺栓的 1/2 和 1/4 位置。考虑到工程中螺栓的疲劳断裂,该方法具备显著的实际应用潜力。本研究亦融合模态仿真与机器学习,为螺栓损伤的智能检测开辟新方向。关键词:关键词:振动声学技术;螺栓裂纹缺陷;锤击试验;模态仿真模拟;理论推导;疲劳断裂、机器学习。中图分类号:中图分类号:TH131.3 1 振动声学技术在检测应用中的概括 振动声学检测是基于声学信号分析的无损技术,用于定位材料或结构的潜在缺陷。其中,使用锤击激发的方法被称为锤击法,起初应用于列车车轮的缺陷检测。其核心原理基于模态分析:一个结构如螺栓受冲击时,会呈现特定振动模式,其自然频率与结构完整性紧密相关1。结构上的缺陷或损伤将导致
3、其振动特性,特别是自然频率的变化。因此,通过对比健康与受损结构的振动响应,可以精确检测和定位缺陷,如式(1)所示:iiiiissfffffEImKplEImKl (1)式中:EI表示弹性模量与惯性矩的乘积的变化(Nm2);ifEI表示第 i 个模态的自然频率相对于弹性模量与惯性矩乘积的变化率;m表示螺栓的质量的变化(kg);ifm表示第 i 个模态的自然频率相对于质量的变化率;sK表示螺栓的刚度变化(N/m);isfK表示第 i 个模态的自然频率相对于刚度的变化率;pl表示螺栓的密度与长度的乘积的变化(kg/m);ifl表示第 i 个模态的自然频率相对于密度与长度乘积的变化率。从这一分析中,当
4、部件表现出不足时,总体结构的调整会导致 El、m、Ks、pl 等关键参数的波动,这直接影响了部件的频率 ft 的稳定性。利用结构振动的数学模型,研究者对固有振动特征进行了深入分析。在自由状态下,锤击螺栓产生的振动表现出特定的固有频率和振型2。这种振动特性在无阻尼条件下展现为自由振动,进一步的数学描述可见式(2):11 1122111 1122121 1222221 122221 1221 122000nnnnnnnnnnnnnnnnnnm xm xm xk xk xk xm xm xm xk xk xk xm xm xm xk xk xk x (2)式中:ijm为质量矩阵的元素,表示第 i 个
5、自由度和第 j 个自由度之间的质量关联(kg);ijk为刚度矩阵的元素,表示第 i 个自由度和第 j 个自由度之间的刚度关联(N/m);ix表示第 i 个自由度的加速度(m/s2);ix表示第 i 个自由度的位移(m)。对于 n 维自由度的振动模型,其差分方程的特定解可以表示为式(3):sin()(1,2,3,)iixAtin (3)式中:iA 表示第 i 个自由度的振动的幅值;表示角频率(rad/s);表示初始相位角(rad)i表示自由度的索引。将式(2)通过矩阵结构整合为式(4):0 xxMK (4)式中:M表示质量矩阵;K表示刚度矩阵。将式(3)通过矩阵结构整合为式(5):中国科技期刊数
6、据库 工业 A-76-sin()xAt (5)式中:A表示振动的幅度,代表最大的振动位移。依据式(2)至(4)排除sin()t因子,经整理后可导出系统的固有值方程式(6):20AKM (6)式中:2 表示固有频率的平方。裂纹缺陷作为面状缺陷,与气孔、砂眼等体积缺陷存在显著差异。在数学建模中,结构的质量特性往往由质量矩阵M来描述,而其受到裂纹缺陷的影响相对微小;相对之下,刚度特性受到的影响则更为明显,这主要表现在刚度矩阵K上。为了更精确地研究裂纹缺陷对结构刚度的具体影响,可以进一步忽略裂纹缺陷对结构质量的影响,采用特征值i2 与特征向量A(i)进行分析,详细公式如式(7):22()()0iiii
7、AAKKM (7)式中:K表示由裂纹缺陷引起的刚度矩阵的变化(N/m);2i表示初始结构的第 i 个固有频率的平方(rad2/s2);2i表示由裂纹缺陷导致的第 i 个固有频率的变化量(rad2/s2);()iA表示初始结构的第i 个固有振型;()iA表示由裂纹缺陷导致的第 i 个固有振型的变化量。考虑一阶近似,并结合式(7)以及 A(i)T 相对于质量矩阵的标准化约束,可以推导出式(8)()2()2()iiiiiAAAKMKM (8)采用 A(i)T 对式(8)进行左侧预乘,并应用K与M的对称特性,可以导出式(9):()T()2()T()iiiiiAAAAKM (9)式中:()TiA表示第
8、i 个模态的特征向量 A(i)的转置;()T()()T()iiiiAAAAKM、分别表示特征向量转置与质量矩阵及刚度矩阵变化的乘积,结果是一个标量值。对于螺栓这样的结构部件,其固有频率与结构完整性紧密关联。疲劳开裂会显著改变其振动特性。本文基于多自由度系统振动模型,探讨了螺栓固有频率受裂纹缺陷影响的因素,重点是裂纹对局部刚度的影响。深入的数学建模(式(2)-(9)揭示了裂纹缺陷如何影响螺栓的固有频率,为后续的锤击和模态仿真试验奠定了理论基础,确保了实验的科学性和结果的准确性。2 锤击法在螺栓疲劳开裂检中的试验分析 2.1 螺栓的选择 为深入探索锤击法在螺栓疲劳开裂检测中的应用,选用 7 根 M
9、30200mm 的标准螺栓试样进行试验。通过线切割技术,在试样上创造了宽度为 0.1mm 的人工开口缺陷,其深度包括 0、1、2、5、7 和 10mm。具体的缺陷配置详情可参见表 1。表 1 螺栓试样尺寸 编号 螺栓规格(直径长度/mm)缺陷距螺纹端 部距离 s/mm 缺陷深度 h/mm 材质 1 30200/Q345B 2 30200 50/Q345B 3 50200 50 2 Q345B 4 30200 50 5 Q345B 5 30200 50 7 Q345B 6 30200 50 10 Q345B 2.2 检测设备 为确保螺栓锤击试验的准确性与重复性,本研究采用了先进的音频信号分析设备
10、。其中,音频采集器MNP21,一款自由场一型传声器,具有 50 mV/Pa 的灵敏度、20-20 kHz 的频带范围及 18-136 dB 的动态范围,提供 4.0 mA 的 IEPE 供电。音频转换器 DT9847-3-1 则是一个 USB 动态信号分析设备,拥有 24 位精度和 216 kHz 的采样率。为了支持这些硬件设备,使用了 Quick DAQ 配套软件,该软件不仅支持采集、显示数据,还具备存储数据、信号发生和统计功能,并为 FFT 分析提供多种选项功能,例如加窗类型功能和数字 IIR 滤波器。2.3 检测结果与分析 在螺栓锤击试验中,激发的声音信号为关键诊断信息源。由于确保螺栓处
11、于绝对自由状态的困难性,采用了两个手指轻轻托住螺栓的方法,并借助力锤迅速锤击以采集声音信号3。经多次实验验证,所得的声音信号显示出良好的稳定性。对不同螺栓进行锤击后,每 5 次锤击作为一组对其音频信号进行分析。利用快中国科技期刊数据库 工业 A-77-速傅里叶转换对这些音频信号进行处理,不同缺陷螺栓的频谱图明显展现出差异性。在检测结果中,观察到螺栓在无缺陷或缺陷深度为 1mm 状态下,其频谱中存在两个显著的频率峰值。而当缺陷深度超过 2mm 时,特征频率 2 附近呈现新的频率,且该特征频率 2 与特征频率 2-1 间的差值伴随着缺陷深度逐渐增加。令人注意的是,当缺陷增至 7mm以上,不仅特征频
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