基于時間反演法的高強螺栓預緊力監測

王 磊， 任偉新

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

高強螺栓連接由于安裝和拆卸方便、整體性好、可靠性高,被廣泛運用于大跨度橋梁工程領域和工民建結構當中。相對于普通螺栓而言,高強螺栓的材料強度更高,螺桿可以承受更大的預拉力。因此,在安裝高強螺栓時,可以施加更大的扭矩、增加被連接構件之間的摩擦力,從而阻止其產生相對滑移，達到傳遞外力、減小結構變形的目的。由于高強螺栓在服役期間的安全性的可靠程度關系到整個結構的運行安全,而預緊力不足引起松動是高強螺栓連接節點失效的常見類型[1],因此,對于高強螺栓預緊力的監測具有重要的工程意義。

工程中經常用到的高強螺栓預緊力檢測方法有扭矩扳手法、電阻應變片法、結構振動特性法和超聲導波法等。扭矩扳手法是通過人工的手段,利用扭矩扳手直接對高強螺栓松動進行檢測。由于實際工程中,高強螺栓的數量龐大且部分存在于隱蔽部位,考慮經濟成本和作業環境,該方法很難通過人工操作得以實現。電阻應變片法是利用金屬絲的電阻值與金屬絲的長度、截面積有關的原理,在實際應用中需要與溫度補償片一起使用[2]。電阻應變片法可以在實驗室對高強螺栓預緊力檢測取得良好效果[3]，應變片與粘貼位置[4]、引線的焊接以及粘貼構件表面的清潔程度有關。基于結構振動特性的檢測方法是依據結構動力學參數,包括頻率、振型、模態曲率、頻響函數、傳遞函數等，來判斷高強螺栓的連接狀態。Mewer R等[5]以結構振動響應信號在多個特征頻段內的能量分布為特征參數,成功識別出螺栓的松動狀態。Cauese V等[6]利用傳遞函數推導的損傷指標檢測出螺栓的松動情況。緱百勇等[7]采用統計學的分析方法,研究了結構的前五階固有頻率來檢測螺栓松緊的方法。楊志春等[8]通過分析螺栓松動前后的振動頻譜互相關函數幅值向量變化檢測螺栓松動損傷。然而,高強螺栓連接狀態的改變相對于結構動力學響應的影響不明顯,低階參數對螺栓松動的靈敏度較低[9],實現高頻段精確識別結構動力學響應還是存在困難。基于超聲波的檢測方法作為一種無損檢測方法,具有傳播距離遠、能量衰減弱、靈敏度高等優點[10]。當高強螺栓的受力發生變化時,可以通過聲彈性效應檢測超聲波在螺栓中傳播時間的改變,來確定螺栓的軸向力狀態[11，12]。通過壓電材料激勵和接收超聲信號的壓電主動傳感方法,其原理是激勵超聲波通過螺栓連接界面,分析獲得的響應信號能量特征以實現對螺栓連接狀態的檢測[13，14]。然而在實際工程應用中,直接運用超聲波檢測的方法會受到環境等因素產生的噪聲信號的干擾,噪聲信號過高甚至會淹沒響應信號,影響對檢測結果的判斷。

20世紀80年代末,法國科學家最早將時間反演法從光學領域成功運用到聲學領域,并給出了時間反演法的定義。由于時間反演法在聲學中可以實現信號能量在時間與空間的重新聚焦,因此它可以有效提高信噪比,克服環境噪聲的干擾[15]。此后,法國科學家Fink等開始將時間反演法引入Lamb領域,通過試驗研究證明了時間反演技術可以有效補償Lamb波的頻散效應。Hoon Sohn等[16]研究發現,利用時間反演法可以有效提高復合材料結構的損傷識別,并通過小波變換改善了Lamb波的時間反演性能。Xu等[17]研究單模式的調整對Lamb波時間反演性能在結構中應用的影響,并在之后提出了一個理論模型分別研究了單模式和雙模式的情況下Lamb波的時間反演性能。在國內,王強等[18,19]利用Lamb波時間反演技術以及四點圓弧定位法,研究并提出了基于時間反演技術的損傷的成像法;苗曉婷等[20]則利用Lamb波時間反演技術結合加權分布成像算法實現了對板的多個損傷的識別和定位。在螺栓連接狀態監測領域,Wang等[21]利用基于壓電有源傳感器的時間反演技術對螺栓連接的松緊度進行了研究,結果表明,聚焦信號的峰值會隨著螺栓軸向壓力的增大而增大,當螺栓的軸向壓力達到一定值時,聚焦信號的峰值變化放緩直至飽和。

本文采用壓電陶瓷片作為激勵器和傳感器,利用時間反演技術獲得不同預緊力條件下對應的聚焦信號,通過分析聚焦信號峰值隨預緊力的變化關系,以實現對高強螺栓預緊力的監測。

1 基于時間反演法的高強螺栓預緊力監測原理

對于高強螺栓連接構件,隨著預緊力的增加，螺栓與連接構件貼合得越來越緊密。然而從微觀角度分析,高強螺栓與被連構件的表面是粗糙不平的,其實際接觸面積要小于名義上的接觸面積,超聲波在連接界面的傳播正是通過實際接觸面積進行的。隨著預緊力的增加,高強螺栓與連接構件的實際接觸面積增加,通過的超聲波能量也就越多。

在螺栓連接構件表面布置壓電陶瓷(PZT)片,如圖1所示。壓電陶瓷由于具有正逆壓電效應,所以既可以作為激勵器也可作為感應器。

圖1 試驗方案設計

假設PZT1的激勵信號(電壓)為UA(ω),則PZT2得到的響應信號為:

UB(ω)=UA(ω)Ks(ω)Kp(ω)G(ω)

(1)

式中:Ks(ω)表示PZT2的正壓電系數;Kp(ω)表示PZT1的逆壓電系數;G(ω)表示結構的傳遞函數。

由于信號在時域里的反演過程等于其通過傅里葉變換為頻域信號的復共軛函數,因此得到時反信號為:

U*B(ω)=U*A(ω)K*s(ω)K*p(ω)G*(ω)

(2)

式中:*表示復共軛運算。此時將時反信號作為激勵,從PZT2再次發出,則在PZT1獲得的聚焦信號可表示為:

U′A(ω)=U*A(ω)K*sp(ω)Ksp(ω)G*(ω)G(ω)

(3)

其中

Ksp(ω)=Ks(ω)Kp(ω)

K*sp(ω)=K*s(ω)K*p(ω)

由于式(2)中K*sp(ω)Ksp(ω)與G*(ω)G(ω)均為一常數,可以得出聚焦信號與激勵信號只存在幅值的不同,因此我們可以通過聚焦信號峰值的大小判斷高強螺栓連接狀態,實現對高強螺栓預緊力的監測。

2 實驗設計與裝置

將2塊金屬鋼板采用強度等級為10.9的高強螺栓連接,在螺栓和金屬鋼板上分別粘貼壓電陶瓷PZT1、PZT2、PZT3、PZT4。試樣的型號與尺寸大小見表1。

表1 試樣規格參數

根據時間反演法的高強螺栓預緊力監測基本原理,設計的試驗系統如圖2所示。

圖2 實驗裝置

試驗通過計算機利用LabVIEW編寫的控制程序運行,采用中心頻率150 kHz,初始電壓為5V的激勵信號,如圖3a所示。NI-USB-6366數據采集儀將數字信號轉換為電壓信號,電壓信號再經過高壓放大器放大,經壓電陶瓷的逆壓電效應使粘貼在高強螺栓上的PZT1發生機械振動產生超聲波。超聲波通過鋼板與高強螺栓的連接界面抵達鋼板上的PZT2,經壓電陶瓷的正壓電效應轉化為電壓信號,該電壓信號可以被NI-USB-6366數據采集儀采集并儲存于計算機中記為響應信號,如圖3b所示。將得到的響應信號進行時間反演處理得到時反信號,如圖3c所示。將時反信號作為激勵信號,再次激勵PZT2,此時在PZT1采集到的信號即為聚焦信號,如圖3d所示。

圖3 扭矩為6 N·m時的聚焦信號

試驗中,高強螺栓預緊力的大小由扭矩扳手控制,扭矩從60 N·m開始,以5 N·m為間距依次減小至0,且每次進行的實驗都是將高強螺栓的預緊力從0加載在指定扭矩。為了進一步證明時間反演法對于高強螺栓預緊力監測的有效性,本文還研究了PZT片間距對試驗結果的影響。

3 結果分析與討論

根據上述的試驗方案,依次測得在不同預緊力條件下對應的聚焦信號峰值,并建立聚焦信號峰值與高強螺栓預緊力的對應關系,相同的PZT間距,重復測量3次,當PZT間距為5 cm時,所得結果如圖4所示。

圖4 PZT間距為5 cm聚焦信號峰值與扭矩關系

從圖4可以看出,當激勵器和傳感器兩個PZT間距為5 cm時,預緊力從60 N·m減至40 N·m之間,聚焦信號的峰值變化不明顯,說明在此扭矩范圍內高強螺栓處于設計范圍的健康狀態;預緊力從30 N·m減小至時,此時聚焦信號的峰值變化明顯,且隨著預緊力的減小而減小。因此可以判斷,預緊力小于30 N·m時高強螺栓開始出現松動。當改變PZT的間距后,得到的聚焦信號與扭矩的對應關系如圖5和圖6所示。

圖5 PZT間距為10 cm聚焦信號峰值與扭矩關系

圖6 PZT間距為10 cm聚焦信號峰值與扭矩關系

對比圖5和6可以看出,當改變激勵器與傳感器的間距時,由于超聲波的傳播距離增加,抵達傳感器的超聲波能量也相應減小,因此聚焦信號的整體峰值降低。然而,隨著螺栓預緊力的減少,聚焦信號的峰值的變化趨勢與圖4保持一致,即聚焦信號峰值變化的拐點依舊發生在30 N·m與40 N·m之間。

對圖4、圖5和圖6試驗結果采用計算公式μ=1-(Umax-U)(Umax-Umin)進行歸一化處理。所得結果如圖7所示,對應指標參數越趨近于1表示螺栓擰得越緊,相反則說明越松動。通過對比可以進一步發現,時間反演技術可以實現對螺栓的連接狀態進行有效評估,其結果不受PZT間距的影響。

圖7 不同間距的聚焦信號峰值歸一化結果

4 結 論

針對橋梁工程中螺栓連接構件的螺栓松動問題,采用時間反演法對螺栓預緊力監測進行了試驗研究。試驗結果表明:

(1)當螺栓處于擰緊狀態時,通過時間反演技術得到的聚焦信號峰值變化不明顯;當螺栓處于松動狀態時,聚焦信號峰值會小于螺栓處于擰緊狀態的聚焦信號峰值,且隨著螺栓預緊力的減小變化趨勢明顯。

(2)雖然改變激勵器與傳感器的距離會影響整體聚焦信號峰值,但不會影響對螺栓松動的識別,且經歸一化處理后,可以實現對螺栓連接狀態的有效評估。

(3)通過與響應信號對比,時間反演法具有良好的自適應聚焦特征可以有效提高信號的信噪比,適用于存在噪聲環境的實際工程應用。