基于压电阻抗技术的螺栓松动监测的研究

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1、ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterinEngineeringResearchforBoltLoosenessMonitoringBasedonThePiezoelectricImpedanceTechnologyMasterCandidate：YangZhiwuMajor：MechanicalEngineeringSupervisor：Prof.WangTaoWuhanUniversityofScienceandTechnologyWuhan,Hubei4300

2、81,P.R.ChinaMay,2015摘要工程结构之间有多种联接方式，螺栓连接是一种在工程实践中应用最为广泛的连接方式。螺栓在循环载荷和强迫振动的作用下会出现疲劳损伤和松动现象，螺栓的失效会造成灾难性的后果和重大财产损失。对螺栓进行实时在线健康监测显得尤为重要。压电阻抗技术作为一种新型的结构健康监测技术，近二十年来得到了飞速的发展，该技术被广泛的应用于钢结构、土木工程等重要工程的结构健康监测试验当中，论文基于压电阻抗技术展开了螺栓松动监测的实验研究，论文的主要内容如下：1．综合分析了结构健康监测的主要方法，及压电阻抗技术理论和该技术应用于钢结构、混凝土结构、裂纹、螺栓等结构健康监测

3、的国内外研究现状，并列举了不同的结构损伤指标在结构健康损伤评估中的使用情况。对压电阻抗技术的影响因素进行了分析，介绍了有限元压电耦合场分析的研究状况，总结了压电阻抗技术的优点。2．介绍了压电材料和压电效应的概念，引用压电方程对压电材料电导纳的计算公式进行了推导。引入了损伤指标对损伤程度进行定量的分析。3．阐述了有限元法和相关软件的概念，对压电耦合场分析的详细过程进行了描述，介绍了压电片导纳提取的方法。建立起了压电片-钢梁及压电片-螺栓的有限元模型，对耦合模型进行了有限元压电耦合场的分析。得到了不同力作用下的压电导纳等相关数据，分析了不同力载荷下的导纳曲线变化情况。4．搭建了螺栓松动监

4、测的实验平台，进行了基于压电阻抗技术的螺栓松动监测实验。采用万能试验机对螺栓联接结构进行加载模拟螺栓预紧力的变化。分析了压电导纳曲线及损伤指标(RMSD)随预紧力的变化规律，讨论了压电材料安装位置及结构接触面粗糙度对损伤指标的影响。5．进行了基于压电阻抗技术的一体式智能螺栓的研究，将压电材料分别安装在不同型号的螺栓和螺母表面。分析了不同力作用下的电导纳数据，并建立了螺栓松动程度和预紧力之间的关系曲线。关键词：健康监测；螺栓松动；压电阻抗；压电分析；损伤指标；智能螺栓IAbstractTherehaveavarietywaysofconnectionbetweenengineering

5、structure,boltconnectionhasbeenusedinpracticalengineeringmostwidely.Boltundertheactionofcyclicloadandforcedvibrationwouldleadtofatiguedamageandboltlooseness.Howeverboltfailurewillcausedisastrousconsequenceandmajorpropertydamage.Itisparticularlyimportantthatboltshouldmonitoredinthereal-timeonlin

6、ehealth.Piezoelectricimpedancetechnologyasanewtypeofstructuralhealthmonitoringtechnologyhasbeenachievedrapiddevelopmentinnearly20years.Thistechnologywaswidelyusedinstructuralhealthmonitoring,includesteelstructure,concretestructureandimportantcomponent.Boltloosenessexperimentalresearchbasedonthe

7、piezoelectricimpedancetechnologywasconducted,themaincontentislistasfollows:1．Thisarticlehascomprehensiveanalysisthemainmethodofstructuralhealthmonitoringandthepiezoelectricimpedancetechnologytheory.Thestructuralhealthmonitoringres