任凱 張子涵 杜飛 吳冠男 徐超

(西北工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院, 西安 710072)

引言

隨著微小衛(wèi)星技術(shù)迅速發(fā)展,縮短發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間的需求已經(jīng)成了最直接的問(wèn)題[1],而這就需要我們能快速及時(shí)地檢測(cè)結(jié)構(gòu)健康狀況.衛(wèi)星結(jié)構(gòu)一般通過(guò)大量的螺栓連接的方式組裝成為整體.由于裝配過(guò)程中的操作不當(dāng)、發(fā)射和再入過(guò)程中的動(dòng)態(tài)激勵(lì)等不可控原因,螺栓連接可能出現(xiàn)預(yù)緊力下降、連接界面錯(cuò)動(dòng)甚至松脫等損傷現(xiàn)象,從而嚴(yán)重威脅航天器的結(jié)構(gòu)完整性和系統(tǒng)功能性,所以監(jiān)測(cè)螺栓連接松動(dòng)就成了目前面對(duì)的主要問(wèn)題.另一方面,空天飛行器逐漸成為各國(guó)關(guān)注的重點(diǎn),而空天飛行器用于保持良好的氣動(dòng)外形和熱防護(hù)的蒙皮與骨架的常見(jiàn)連接方式也是螺栓連接,為了能重復(fù)利用,也迫切需要針對(duì)螺栓連接預(yù)緊扭矩進(jìn)行監(jiān)測(cè).

目前,機(jī)電阻抗[2]和超聲導(dǎo)波方法[3]被廣泛應(yīng)用于航空航天結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè).導(dǎo)波具有在結(jié)構(gòu)中傳播距離遠(yuǎn),只需很少的傳感器就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)大范圍地監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn),但當(dāng)結(jié)構(gòu)幾何形狀復(fù)雜、界面眾多,即使在簡(jiǎn)單激勵(lì)下,導(dǎo)波的頻散、多模態(tài)特性導(dǎo)致其信號(hào)異常復(fù)雜,在多螺栓連接的結(jié)構(gòu)中,提取出表征連接狀態(tài)變化的特征信息將變得十分困難.

結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗對(duì)于損傷較為敏感,利用壓電傳感器可以檢測(cè)機(jī)械阻抗的變化,該方法對(duì)外界環(huán)境影響免疫力強(qiáng),不依賴(lài)模型分析,故適宜復(fù)雜結(jié)構(gòu),適宜在線監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)[4].Liang等[5-8]最早提出了智能結(jié)構(gòu)的阻抗分析方法,在阻抗分析的工作中做了大量的相關(guān)工作,他的研究奠定了基于壓電陶瓷PZT的阻抗分析法的基礎(chǔ),其提出了PZT耦合結(jié)構(gòu)的一維單自由度彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)(SMD)模型的耦合電導(dǎo)納表達(dá)式,分析了結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗的變化對(duì)壓電片電導(dǎo)納的影響,以懸臂梁為例進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.Sun等[9]利用壓電傳感器,對(duì)組合桁架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn),通過(guò)對(duì)比損傷前后壓電片電導(dǎo)納的變化,驗(yàn)證了機(jī)電阻抗技術(shù)能準(zhǔn)確識(shí)別出組合桁架發(fā)生的損傷.Bhalla等[10]研究了PZT在鋼結(jié)構(gòu)的初始損傷診斷中的應(yīng)用,通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了機(jī)電阻抗法能有效地檢測(cè)到鋼結(jié)構(gòu)的初始損傷.Yabin Liang等[11]利用PZT對(duì)銷(xiāo)連接結(jié)構(gòu)的載荷進(jìn)行監(jiān)測(cè),結(jié)果表明阻抗實(shí)部對(duì)結(jié)構(gòu)變化更加敏感.熊先鋒等[12]對(duì)螺栓連接的四角固定鋁板的螺栓松動(dòng)狀況進(jìn)行了研究,證明了通過(guò)分析PZT阻抗的變化來(lái)檢測(cè)螺栓松動(dòng)狀況的可行性.

目前學(xué)者針對(duì)基于機(jī)電阻抗的多螺栓的預(yù)緊扭矩檢測(cè)方法的研究還不夠深入,為此本文采用具有質(zhì)輕,高效,制造容易,抗壓等優(yōu)點(diǎn)的壓電陶瓷纖維復(fù)合材料MFC代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PZT進(jìn)行研究[13,14].針對(duì)常見(jiàn)的多螺栓連接結(jié)構(gòu),本文以兩螺栓搭接梁為研究對(duì)象,提出了基于壓電陶瓷纖維復(fù)合材料MFC的螺栓預(yù)緊扭矩檢測(cè)方法.

1 基于機(jī)電阻抗的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別原理

壓電陶瓷材料是一種能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料,傳統(tǒng)的PZT具有脆性大,密度高,硬度高,不易變形等缺點(diǎn),使這類(lèi)材料在應(yīng)用上受到了很大限制,由NASA的Langley研究中心發(fā)明的壓電陶瓷纖維復(fù)合材料MFC則具有優(yōu)異的強(qiáng)度和靈活性.MFC是由矩形的壓電陶瓷纖維夾在膠粘劑、電極和聚酰亞胺薄膜之間復(fù)合而成,電極和薄膜以相互交叉的方式接觸,這樣可以將電壓直接傳到壓電陶瓷纖維上,或者由其傳出.MFC作為一種智能材料,具有正、逆壓電效應(yīng).當(dāng)MFC在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí),其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象,同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷.當(dāng)外力去掉后,它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài),這種現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng).當(dāng)作用力的方向改變時(shí),電荷的極性也隨之改變.相反,當(dāng)在MFC的極化方向上施加電場(chǎng),MFC也會(huì)發(fā)生變形,電場(chǎng)去掉后,MFC的變形隨之消失,這種現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng).

借鑒基于壓電陶瓷PZT與結(jié)構(gòu)的相互作用模型[15],MFC與結(jié)構(gòu)的相互作用可以用如圖1所示的一維阻抗模型描述,MFC被看作為一個(gè)狹長(zhǎng)的桿件,在交變電場(chǎng)作用下做x向的軸向振動(dòng),MFC一端固定,另一端與簡(jiǎn)化為單自由度系統(tǒng)的基體結(jié)構(gòu)相連.

此時(shí),粘貼在結(jié)構(gòu)表面的MFC受到垂直于x方向的電場(chǎng)作用,該系統(tǒng)中MFC的電導(dǎo)納為：

(1)

圖1 MFC與梁結(jié)構(gòu)機(jī)電耦合作用的一維模型Fig.1 1-DOF model of electromechanical coupling between MFC and beam structures

從方程(1)中可以看出,當(dāng)壓電材料的參數(shù)和性能保持恒定,與之相貼合的結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗唯一的確定了MFC的電導(dǎo)納.MFC的電導(dǎo)納的任何變化都反映了結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗的變化,反映了結(jié)構(gòu)中缺陷、損傷或其他物理變化.

相比于MFC的導(dǎo)納模值、阻抗模值、阻抗虛部等參數(shù),結(jié)構(gòu)變化引起MFC的阻抗實(shí)部R=Re(1/Y)變化更為明顯.因此,為了對(duì)螺栓的松動(dòng)狀況進(jìn)行定性和定量的評(píng)價(jià),本文以螺栓松動(dòng)前后兩組阻抗實(shí)部數(shù)據(jù)的均方根偏差RMSD作為指標(biāo)：

(2)

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置與試件

本文以圖2所示的雙螺栓搭接梁為研究對(duì)象.兩端自由,兩根相同的梁用兩個(gè)M6螺栓相連,梁的幾何尺寸為：ls=400mm,bs=60mm,hs=2mm,梁的材料為2024-T3鋁,螺栓對(duì)稱(chēng)安裝,相距32mm,距梁安裝螺栓一端邊界20mm,MFC型號(hào)為2814-p1,因?yàn)闄C(jī)電阻抗法敏感范圍限于壓電片附近區(qū)域[13,14],所以MFC應(yīng)貼于螺栓附近,MFC中心距梁上下邊界均為30mm,距有螺栓連接一側(cè)邊界50mm.阻抗分析儀型號(hào)為IM3570精密阻抗分析儀,選取MFC阻抗值的實(shí)部為測(cè)量對(duì)象.

圖2 雙螺栓搭接梁模型Fig.2 Model of double bolt lap beam

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

因?yàn)榛跈C(jī)電耦合特性的機(jī)電阻抗技術(shù)工作頻率高(30～500kHz)[4],所以先選取掃頻范圍為30～200kHz.查得強(qiáng)度等級(jí)8.8的M6螺栓標(biāo)準(zhǔn)扭矩為9～12N·m,由于所用鋁板較薄,為防止鋁板屈曲變形,取標(biāo)準(zhǔn)扭矩為6N·m,實(shí)驗(yàn)考慮了4種工況,分別是：工況1.兩個(gè)螺栓扭矩均為6N·m；工況2.螺栓1扭矩3N·m,螺栓2扭矩6N·m；工況3.螺栓1扭矩3N·m,螺栓2扭矩3N·m；工況4.將螺栓1取下,螺栓2扭矩3N·m.

用扭矩扳手改變作用在螺栓上的扭矩,尋找阻抗實(shí)部的譜曲線上峰值頻率與峰值大小的變化程度大的頻段,作為敏感頻段.通過(guò)計(jì)算此頻段內(nèi)損傷工況與標(biāo)準(zhǔn)工況(工況1)間的均方根偏差RMSD來(lái)判斷螺栓松動(dòng)狀況.

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3為四種工況中阻抗實(shí)部隨頻率變化的曲線,可以發(fā)現(xiàn)在40～43kHz,50～53kHz,72～75kHz,150.5～153.5kHz,164～167kHz,193.5～196.5kHz六個(gè)頻段內(nèi),阻抗實(shí)部譜曲線上峰值頻率和峰值大小變化比較明顯,因此初步選擇上述六個(gè)頻段為敏感頻段,得到工況2,3,4相對(duì)于工況1的RMSD如圖4所示.從圖中可以看出,40～43kHz和150.5～153.5kHz兩個(gè)頻段不能區(qū)分工況2和工況3,因此,以50～53kHz,72～75kHz, 164～167kHz和193.5～196.5kHz為敏感頻段.

圖3 不同扭矩水平的阻抗實(shí)部譜曲線Fig.3 Impedance real spectral curve under different torque levels

圖4 其余工況阻抗實(shí)部數(shù)據(jù)相對(duì)于工況1的數(shù)據(jù)的RMSDFig.4 RMSD of impedance real spectral data under other operating conditions compared with that of the condition 1

在每個(gè)頻段內(nèi),每組工況重復(fù)實(shí)驗(yàn)5次,以工況1重復(fù)實(shí)驗(yàn)5次得到阻抗實(shí)部數(shù)據(jù)的平均值為參考數(shù)據(jù),計(jì)算各工況在對(duì)應(yīng)頻段相對(duì)于參考數(shù)據(jù)的RMSD,結(jié)果如圖5所示.

從圖5可直觀地看出,同一工況下5組數(shù)據(jù)的RMSD波動(dòng)較小,說(shuō)明阻抗方法用于檢測(cè)螺栓連接的搭接梁中螺栓松動(dòng)實(shí)驗(yàn)有良好的可重復(fù)性.隨著螺栓逐漸變松,螺栓上的扭矩下降,MFC測(cè)得的阻抗實(shí)部值與參考數(shù)據(jù)的RMSD逐漸增大,但變化較小.當(dāng)有螺栓脫落后,MFC測(cè)得的阻抗實(shí)部值與參考數(shù)據(jù)的RMSD明顯增大.

圖5 各敏感頻段內(nèi)不同工況的RMSD(a)50～53 kHz; (b)72～75kHz; (c)164～167kHz; (d)193.5～196.5kHzFig.5 RMSD under different operating conditions in each sensitive frequency bands (a)50～53kHz; (b)72～75kHz; (c)164～167kHz; (d)193.5～196.5kHz

2.4 螺栓松動(dòng)檢測(cè)步驟

計(jì)算得到每組工況5次實(shí)驗(yàn)的RMSD的均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ.建立包含參考數(shù)據(jù)和已知4種工況RMSD的均值和標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù)庫(kù).

步驟一、計(jì)算未知工況的RMSD.

步驟二、對(duì)比未知工況的RMSD與4種工況RMSD的均值和標(biāo)準(zhǔn)差.

假設(shè)在給定頻段內(nèi),每種工況的RMSD服從正態(tài)分布,由未松動(dòng)工況得到的RMSD落入工況1的(μ-2σ,μ+2σ)內(nèi)的概率為95.44%,則由未知工況得到的RMSD若落入工況1的(μ-2σ,μ+2σ)內(nèi),未知工況即為未松動(dòng)工況.若未知工況得到的RMSD不在工況1的(μ-2σ,μ+2σ)內(nèi),說(shuō)明螺栓發(fā)生了松動(dòng),對(duì)比工況2,3,4的RMSD,就能判斷出螺栓的松動(dòng)程度.

表1 4種工況的統(tǒng)計(jì)值Table 1 Statistics of 4 operating conditions

為驗(yàn)證阻抗法能檢測(cè)出螺栓上是否松動(dòng),對(duì)兩個(gè)螺栓都施加扭矩3N·m,在4個(gè)敏感頻段內(nèi)計(jì)算其阻抗實(shí)部數(shù)據(jù)相對(duì)于參考數(shù)據(jù)的RMSD,如表2所示：

表2 未知工況的RMSDTable 2 RMSD under unknown operating condition

可以看出,在4個(gè)敏感頻段內(nèi),未知工況的RMSD均未落入工況1的(μ-2σ,μ+2σ)內(nèi),且接近工況3的均值,說(shuō)明未知工況螺栓發(fā)生松動(dòng),且松動(dòng)狀況與工況3接近.因此根據(jù)損傷指標(biāo)RMSD,可以實(shí)現(xiàn)兩螺栓不同松動(dòng)工況的檢測(cè).

3 結(jié)論

針對(duì)工程中常見(jiàn)的多螺栓連接結(jié)構(gòu),本文以兩個(gè)螺栓連接的搭接梁為研究對(duì)象,測(cè)量結(jié)構(gòu)與壓電陶瓷纖維復(fù)合材料耦合系統(tǒng)的阻抗實(shí)部,以敏感頻段內(nèi)阻抗實(shí)部的均方根偏差RMSD為損傷指標(biāo)進(jìn)行預(yù)緊扭矩檢測(cè).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)敏感頻段內(nèi)阻抗實(shí)部的RMSD能夠作為有效表征螺栓松動(dòng)的損傷指標(biāo)；

(2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)建立了不同螺栓擰緊力矩下的阻抗實(shí)部均方根偏差數(shù)據(jù)庫(kù),并提出了螺栓松動(dòng)檢測(cè)方法.

(3)利用上述方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)螺栓連接梁中不同螺栓預(yù)緊扭矩工況的檢測(cè).