基于压电阻抗特征频率偏移的螺栓轴向力监测

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1、分类号学号２０１５０３７０３０５５学校代码１０４８８密级硕士学位论文基于压电阻抗特征频率偏移的螺栓轴向力监测学位申请人：魏灯莱学科专业：机械工程指导教师：王涛教授答辩日期：２０１８年５月ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterinEngineeringAxialForceMonitoringofBoltsBasedontheShiftofCharacteristicFrequencyofPie

2、zoelectricImpedanceMasterCandidate:WeiDenglaiMajor：MechanicalEngineeringSupervisor：Prof.WangTaoWuhanUniversityofScienceandTechnologyWuhan,Hubei430081,P.R.ChinaMay,2018IIIII摘要针对工程实际中的螺栓松动问题，将基于压电阻抗特征频率偏移的方法应用于螺栓轴向力的监测，从理论分析、有限元仿真和实验研究三个方面展开了该方法关键性问题的研究，对该方法在螺栓轴向力监测方面做了深入的实验研究

3、。本文所做的主要研究工作如下：（1）基于压电导纳理论及轴向受载一维梁波动理论，推导出轴向载荷与主结构及压电材料固有频率的关系式，该关系式显示结构的轴向拉伸载荷会使主结构和压电材料横向振动的固有频率线性增大，而轴向压缩载荷则会使主结构和压电材料横向振动的固有频率线性减小。（2）应用有限元软件模拟结构受不同轴向载荷时结构模态频率和压电导纳信号的变化趋势，得出结构谐振的特征频率和压电材料谐振的特征频率与结构轴向载荷之间的关系。（3）在理论分析和有限元仿真的指导下，采用铝材板件和棒材分别做了相应的拉伸和压缩对比实验，理论分析和实验结果表明压电导纳信号中

4、主体结构谐振特征频率和压电材料谐振特征频率的偏移与主体结构的轴向拉伸载荷均呈单调递增的关系，而与主体结构的轴向压缩载荷均呈单调递减的关系。将该方法应用于螺栓轴向力监测实验，能够很好地监测螺栓轴向力的变化，因此基于压电阻抗特征频率偏移的螺栓轴向力监测方法有很好的应用前景。关键词：螺栓联接；预紧力；压电阻抗；特征频率偏移IVAbstractAimingatthelooseningofboltsinengineeringpractice,themethodoffrequencyshiftofpiezoelectricimpedanceisapplie

5、dtothemonitoringofaxialforceofbolts,andtheeffectivenessofthestressmonitoringofthestructureisanalyzedinone-dimensionstructurebyusingthemethodofthetheoreticalanalysis,thefiniteelementsimulationandtheexperimentalresearch.Inaddition,anin-depthexperimentalstudybasedonthemethodofs

6、tressmonitoringareconductedontheaxialforcemonitoringofthebolt.Theworkdoneinthispaperandtheconclusionsitdrawsmainlyincludethefollowingpoints:(1)Basedonthederivationofthepiezoelectricadmittanceformulaandthewavetheoryoftheaxial-loadedone-dimensionalbeam,andthequantitativeanalys

7、isoftheinfluenceoftheaxialforceofthehoststructureonnaturalfrequencyofthehoststructureandthepiezoelectricmaterials,itisconcludedthatthenaturalfrequencyatthetransversevibrationofthehoststructureandthepiezoelectricmaterialswillbeenlargedbytheaxialtensileforceofthehoststructure,

8、andreducedbytheaxialcompressedforceofthehoststructure.(2)Thefiniteelementso