基于应变模态的加筋板螺栓松脱识别

 徐彦伟，谭跃刚

 （武汉理工大学机电工程学院，湖北  武汉  430070）

摘要：为研究螺栓松脱的检测识别方法，设计了带螺栓连接的硬铝合金加筋板结构，采用光纤光栅传感器测量加筋板共振时螺栓松脱前、后的应变响应，并以此应变响应为标识量来识别螺栓脱落的位置。试验结果表明：采用应变模态为标识量能够准确识别加筋板紧固件的螺栓松脱位置。

关键词：应变模态；螺栓松脱；损伤识别；加筋板 中图分类号：V214.3：TP391.7  

0  引言

 加筋壁板是飞机设计中常用的一种典型结构形式，它广泛应用于机身和机翼表面结构中，飞行中它们将承受着压缩、剪切、弯曲和扭转等载荷作用，除了出现裂纹等损伤形式外，加筋壁板紧固连接件如铆钉、螺栓的松脱，也是一种最为常见的连接失效损伤模式，这些松脱损伤均可能会造成严重的飞行事故。如2014年法国航空公司一架航班在飞行途中因部分机翼上的连接紧固件突然脱落，迫使航班紧急返航。因此，对加筋板紧固件螺栓松脱损伤进行检测与识别也是飞机结构健康监测的主要任务之一。

 一般来说，紧固件结构螺栓松动损伤对结构整体动力学参数如固有频率、振型、阻尼、功率谱等的影响非常有限，但螺栓在结构的局部区域发生松动损伤后，螺栓脱落部位的应变分布会发生急剧变化，而离螺栓脱落处比较远的部位结构应变变化不是很明显，因此，采用应变模态对螺栓松脱损伤识别与定位具有更大的优势。Yam等人针对带孔损伤板结构研究了损伤前、后位移模态和应变模态的变化，结果表明应变模态参数对局部损伤非常敏感。

1  利用应变模态识别损伤的方法

 应变是位移的一阶导数，对于结构的每一阶固有频率下的位移振型，则有一个结构固有的应变分布状态与之相对应，这种与每一阶位移振型相对应的应变分布状态称为结构的应变模态，它和固有频率及振型一样，反映了结构的固有特征，与外荷载无关。由材料力学理论可知，结构在局部区域发生损伤后，损伤区域的应变分布会急剧变化，而远离损伤区域的结构应变变化却很微小。众多研究也表明，应变模态对结构的局部区域损伤极其敏感，故可以作为一种比较理想的结构局域损伤诊断标识量。相比其他动力学参数而言，应变模态可以直接研究某些关键点的应变，如应力集中问题、结构局域变化对区域附近影响的问题等。所以，在对结构进行损伤识别时，只要比较完好结构和损伤结构的应变模态变化，就可以判定结构损伤的位置和程度。

 利用应变模态对结构进行损伤识别，首先要获取结构的应变模态。对于非密集模态的结构，采用共振激励来获取结构的应变模态是一种快速而有效的方法。具体做法为：以结构的第r阶固有频率对其进行共振激振，测量结构每个参考点处的应变响应并进行归一化处理，即可近似地得到结构的第r阶应变模态。以光纤光栅为传感器测量结构的应变响应时，结构应变模态的测试流程如图1所示。

 下面将研究基于光纤光栅传感来获取加筋板结构在螺栓连接处的应变模态，并以此为标识量通过实验数据来检测识别螺栓松动状况。

2  基于应变模态的螺栓松脱识别试验

2.1  试验研究对象及测试系统

 试验研究对象为带L型筋条的铝合金加筋板模型，如图2所示。模型材料选用7075铝合金，弹性模量为71.7 G Pa，泊松比为0.33，密度为2.819 g／cm3，板厚为2 mm，板长为450 mm，板宽为300 mm。在铝合金板的中间固定一L型筋条，铝合金板与L型筋条用10个M6的螺栓连接。使用力矩扳手对每个螺栓施加一样的预紧力，使得每个螺栓完好连接时的拧紧力矩均为4.8 Nm。试验使用的测试装置有DG1000系列双通道信号发生器、功率放大器及激振器、武汉理工光科的高速光纤光栅解调仪和计算机。

2.2  试验方法及步骤

 建立加筋板实验台，在加筋板的一端施加固定约束，另一端由激振器对其施加第一阶固有频率下的共振激励，使其产生共振。选取加筋板上中间的8个螺栓为本次试验的测试对象，对每个螺栓依次标记为1号、…、8号(如图2(a)所示），分别在距每个测试螺栓拧紧螺帽5 mm处交叉粘贴光纤光栅传感器，共粘贴了8个光纤光栅传感器，其中每4个光栅传感器焊接在一根光纤上，使用波分复用技术分2个信道接人解调仪中。光纤光栅解调仪采用武汉理工光科的高速光纤光栅解调仪，用以测量加筋板在共振激励下螺栓松脱位置处的应变响应。

 将加筋板上螺栓松脱作为损伤情况，通过施加在螺栓上预紧力的大小来模拟螺栓松脱，螺栓连接完好时的预紧力矩为4.8 Nm，螺栓松脱时的预紧力矩为0Nm。本文设计的损伤模式为单个螺栓松脱和同时松脱2个螺栓，共设置了以下5种工况。工况1：完好连接；工况2：3号螺栓单独松脱；工况3：5号螺栓单独松脱；工况4：2号、3号螺栓同时松脱；工况5：4号、6号螺栓同时松脱。在设定的每种工况下，对8个测点进行一次应变测量，每次测量均在对加筋板施加第一阶共振激励下进行。提取各测点在每一工况下的应变响应幅值，就可以得到加筋板结构每一工况下8个螺栓位置处的第一阶应变模态。然后对各种螺栓松脱工况下的应变模态和结构完好连接时的应变模态进行比较分析。

2.3  试验结果分析

 图3为加筋板上单个螺栓松脱时损伤结构应变模态与结构完好连接时应变模态的比较。

 从图3中可看出，当加筋板上3号和5号螺栓单独出现松脱时，即在3号和5号位置处发生了损伤，螺栓松脱损伤处的第一阶应变模态发生很大的变化，而其他未损伤位置的应变模态几乎不变。

 图4为两个螺栓松脱时损伤结构应变模态与完好结构应变模态的比较。从图4中可看出，当加筋板上两个相邻的2号、3号螺栓或者相离的4号、6号螺栓同时发生松脱时，即结构有两处发生损伤时，发生螺栓松脱位置处的应变模态发生很大的变化，而其他未损伤位置的应变模态几乎不变。

 从试验结果可以看出，应变模态参数对螺栓松动非常敏感，通过比较连接处螺栓松脱前、后的应变模态能够准确识别加筋板紧固件的螺栓松脱位置。

3结论

 (1)应变模态参数对结构的局部损伤非常敏感，当加筋板上某处的螺栓松脱时，即结构某处发生损伤时，此处的应变模态发生很大的变化，而其他未损伤位置的应变模态几乎不变。通过测量加筋板结构的应变模态能够准确识别其紧固螺栓的连接状况。

 (2)光纤布拉格光栅能够准确测量结构的应变模态，通过此次试验，同时可以看到光纤光栅传感器在结构应变测试中的突出优点，对微小的局部应变灵敏度高，在多次的重复实验中，光纤光栅传感器的测量值都非常稳定，在大型结构的健康监测中具有广泛的应用价值。