基于机电阻抗方法的连接接头螺钉松动损伤识别研究

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｏｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｇ ｓｋｉｎ ｗｉｌｌ ｂｅ ｌｏｏｓｉｎｇ ｏｒ ｅｖｅｎ ｆａｌｌｉｎｇ ｄｏｗｎ ｕｎｄｅｒ ｒｅｐｅａｔｅｄ ｆｌｙｉｎｇ ｌｏａｄｓ，ｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ｈａｖｅ ｂａｄ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒｃｒａｆｔ．Ｉｆ ｓｕｃｈ ｄａｍａｇｅｓ ａｓ ｂｏｌｔｓ ｌｏｏｓｉｎｇ ａｎｄ ｂｏｌｔｓ ｆａｌｌｉｎｇ ｄｏｗｎ ａｒｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ ｉｎ ｔｉｍｅ，ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｃｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｔａｋｅｎ，ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｆｌｙｉｎｇ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒｃｒａｆｔ ｗｉｌｌ ｂｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｄａｍａｇｅ ｂｏｌｔ ｄａｍａｇｅｓ ｏｆ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｐｌａｔｅ ｊｏｉｎｔ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ（ＥＭ）ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｉｄｅｎｔｉｆｙ ｓｕｃｈ ｄａｍａｇｅｓ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｄｅｖｉａｔｉｏｎ（ＲＭＳＤ）ｉｎｄｅｘ ｍｏｎｏｔｏｎｏｕｓｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｂｏｌｔｓ ｌｏｏｓｉｎｇ ｄａｍａｇｅ ｗｈｅｎ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒａｎｇｅｓ ａｒｅ ｓｅ－ ｌｅｃｔｅｄ．Ｓｏ ｂｏｌｔｓ ｌｏｏｓｉｎｇ ｄａｍａｇｅ ｃａｎ ｂｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ ｕｓｉｎｇ ＲＭＳＤ ｉｎｄｅｘ ｆｒｏｍ ｒｅａｌ ｐａｒｔ ｏｆ ＥＭ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ，ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ｍｏｒｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｔｏ ｓｍａｌｌ ｄａｍａｇｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ；ｄａｍａｇｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｐｌａｔｅ ｊｏｉｎｔ；ＲＭＳＤ ｄａｍａｇｅ ｉｎ－ ｄｅｘ
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航空工程进展 第３卷
Ｓｕｒｅｓｈ Ｂｈａｌｌａ等 针 ［５］ 对 框 架 结 构 的 损 伤，应 用机电阻抗数据提取的损伤指标进行了识别研究。 Ｋｅｖｉｎ Ｋ Ｔｓｅｎｇ等 应 ［６］ 用 机 电 阻 抗 的 方 法 对 简 支 的铝材料板进 行 损 伤 识 别 的 数 值 模 拟 研 究，研 究 用 铝 板 为：长 ３０４．８ ｍｍ， 宽 ２０３．２ ｍｍ，厚 度 １．５３ ｍｍ；应 用 的 压 电 片 为：长 ５０．８ ｍｍ，宽 ５０．８ ｍｍ，厚度０．１９ ｍｍ。在铝板两个位置处设计 了 损 伤 ，损 伤 是 通 过 降 低 该 位 置 处 的 弹 性 模 量 来 模 拟 的 。 其 通 过 建 立 两 维 阻 抗 模 型 ，针 对 此 类 损 伤 情 况 进 行 了 识 别 研 究 。 数 值 模 拟 的 结 果 表 明 ，阻 抗 的 方法成功识别 了 设 计 的 两 个 位 置 处 的 损 伤。 Ｗｅｉ Ｙａｎ等 针 ［７］ 对简支复合材料层合梁，设计了层 合 结 构 的 界 面 粘 结 损 伤 （层 间 分 离 损 伤 ），并 用 机 电 阻 抗 方 法 进 行 识 别 。 研 究 表 明 ：基 于 机 电 阻 抗 数 据 的 协 方差指标较好识别了复合材料梁的层间分离损伤。 张兢等 应 ［４］ 用自 行 研 制 的 便 携 式 小 型 阻 抗 测 试 系 统对桁架结构的连接部位螺钉松动损伤进行了识 别 研 究 ，并 与 商 业 用 高 精 度 的 阻 抗 分 析 仪 器 测 试 结 果进行了对比研究。
（北 京 长 城 计 量 测 试 技 术 研 究 所 ，北 京 １０００９５）
摘 要：飞机在飞行过程中，机翼蒙皮的螺钉在 反 复 载 荷 的 作 用 下 会 发 生 松 动 、甚 至 脱 落 损 伤，对 飞 机 的 飞 行 安全埋下隐患。及时发现此类损伤并采取有效措施可 以 提 高 飞 机 的 安 全 性 。 针 对 此 类 损 伤，设 计 了 硬 铝 合 金 板连接接头的螺钉松动损伤模式，应用机电阻抗的试验方法对其进行了识别研究。试验结果 表 明：当 选 择 恰 当 的频率范围时，随着螺钉松动损伤程度的增加，压电片与结构组成系统的 ＲＭＳＤ（Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｄｅｖｉａｔｉｏｎ） 指标 增 加，两 者 表 现 出 单 调 函 数 关 系，应 用 ＲＭＳＤ 损 伤 指 标 可 以 识 别 螺 钉 松 动 损 伤 程 度 ，且 对 小 的 损 伤 更 加 敏感。 关键词：机电阻抗；损伤识别；硬铝合金板连接接头；ＲＭＳＤ 损伤指标 中 图 分 类 号 ：Ｖ２１４ 文 献 标 识 码 ：Ａ
只要 ＰＺＴ 片的参 数 及 性 能 保 持 恒 定，结 构 机 械阻抗 Ｚｓ 唯 一 地 确 定 了 电 阻 抗Ｚ。 因 此，电 阻 抗 Ｚ 的任何变化就反映了结构中的缺陷、损伤或其他 物 理 变 化 ，这 就 是 阻 抗 法 监 测 结 构 损 伤 的 原 理 。
２ 损伤识别试验
本试验采用机电阻抗法对两块硬铝合金板连 接接头的螺钉松动损伤进行识别研究。
２．１ 试 验 研 究 对 象
试 验 研 究 的 对 象 如 图 ２ 所 示 ，是 铝 合 金 板 的 连 接节点，两块连接板均为 ３００ ｍｍ×１５０ ｍｍ，厚 度 为２ｍｍ，在图２示位置用 Ｍ５的４个螺钉连接，用 力 矩 扳 手 调 节 螺 栓 的 拧 紧 力 矩 ，使 得 ４ 个 螺 栓 的 力 矩 均 为 ４ Ｎｍ。
第３卷 第１期 ２０１２ 年 ２ 月
航空工程进展 ＡＤＶＡＮＣＥＳ ＩＮ ＡＥＲＯＮＡＵＴＩＣＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
文 章 编 号 ：１６７４－８１９０（２０１２）０１－０７７－０５
Ｖｏｌ．３ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２０１２
基于机电阻抗方法的连接接头 螺钉松动损伤识别研究
王 利 恒 ，陶 继 增
图 ２ 试 验 布 置 Ｆｉｇ．２ Ｌａｙｉｎｇ ｏｕｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｓｔ
第 １ 期 王 利 恒 等 ：基 于 机 电 阻 抗 方 法 的 连 接 接 头 螺 钉 松 动 损 伤 识设 计 模 式
设 计 ５ 个 工 况 分 别 代 表 连 接 结 构 损 伤 前 ，即 完 好 状 态 ，以 及 不 同 程 度 的 损 伤 状 态 。 工 况 １ 为 ４ 个 螺栓以４Ｎｍ 的力矩完全拧好的状态；工况 ２ 是在 工 况 １ 的 基 础 上 ，将 螺 栓 ３ 的 力 矩 减 小 为２ Ｎｍ；工 况３是在工况２ 的 基 础 上，将 螺 栓 ３ 取 下 的 状 态； 工 况 ４ 是 在 工 况 ３ 的 基 础 上 ，再 将 螺 栓 ２ 力 矩 减 小 为２Ｎｍ 的 状 态；工 况 ５ 是 在 工 况 ４ 的 基 础 上，再 将 螺 栓 ２ 取 下 的 状 态 ，如 表 １ 所 示 。
图 ４ 阻 抗 分 析 仪 器 以 及 与 压 电 片 的 连 接 Ｆｉｇ．４ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ａｎｄ ｉｔｓ
ｊｏｉｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ＰＺＴ
表 １ 试 验 工 况 以 及 对 应 的 损 伤 等 级 Ｔａｂｌｅ １ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｃａｓｅｓ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｄａｍａｇｅ ｇｒａｄｅ
技术在结构健康诊断领域中已经成为一种重要的 识别方法。机电阻抗技术的优点是对结构出现的 小损伤反应灵敏，有 利 于 检 测 出 结 构 初 期 故 障，而 且机电阻抗 技 术 中 经 常 使 用 的 材 料 ＰＺＴ（锆 钛 酸 铅压电陶瓷）有体 积 小，结 构 简 单 和 工 作 可 靠 等 优 点 。 ［２－４］ 此外，由于 机 电 阻 抗 测 试 的 频 率 范 围 一 般 都很高（３０ｋＨｚ～２ ＭＨｚ），ＰＺＴ 只 对 其 附 近 局 部 范 围 内 力 学 参 数 的 变 化 敏 感 ，而 远 离 粘 贴 压 电 片 的 力 学 参 数 ，如 结 构 刚 度 变 化 和 边 界 条 件 变 化 等 对 机 电阻抗的影响并不大。
图１ ＰＺＴ 驱动器与结构的机电耦合原理 Ｆｉｇ．１ Ｅｌｅｃｔｒｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ＰＺＴ
ｄｒｉｖｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
根据压电耦合效应以及 ＰＺＴ 与结构的相互作 用 ，可 得 到 电 阻 抗 与 结 构 机 械 阻 抗 之 间 的 关 系
［ ］ Ｚ（ω）＝ ｉωａε－３Ｅ３ －Ｚｓ（ωＺ）ｓ＋（ωＺ）ａ（ω）ｄ２３ｘγ－ｘＥｘ －１
（１） 式中：Ｚ 为 电 阻 抗，是 ＰＺＴ 与 结 构 联 合 的 阻 抗 响 应；Ｚａ 和Ｚｓ 分别为 ＰＺＴ 和结构的机械阻抗；ｄ３ｘ为 零应力状态下的压电耦合常数；γ－ｘＥｘ 是 ＰＺＴ 片在零 电场 下 的 复 杨 氏 模 量；ε－３Ｅ３ 为 零 应 力 状 态 下 的 复 绝 缘常数；ａ 为 ＰＺＴ 的几何常数；ω 为激励力频率。
目 前 ，机 电 阻 抗 方 法 进 行 损 伤 识 别 的 研 究 依 然 是一个重要的研究方向。本文针对机翼结构上最 常 用 的 硬 铝 合 金 板 （蒙 皮 ），应 用 Ｅ４９８０Ａ 精 密 ＬＣＲ 表进行了 机 电 阻 抗 测 试，并 用 阻 抗 数 据 对 硬 铝合金板连接螺钉的松动损伤进行了识别研究。
０ 引 言
自从１９９５年 Ｓｕｎ Ｆ Ｐ 等 人 ［１］ 将机电阻抗技术 成 功 应 用 于 组 装 桁 架 的 结 构 健 康 诊 断 以 来 ，该 技 术 一 直 受 到 损 伤 识 别 研 究 者 的 重 视 。 目 前 ，机 电 阻 抗
收 稿 日 期 ：２０１１－０９－０１； 修 回 日 期 ：２０１１－１０－３０ 基 金 项 目 ：航 空 科 学 基 金 项 目 （２００９ＺＤ４４００６） 通 信 作 者 ：王 利 恒 ，ｗａｌｉｈｅ＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ
１ 机电阻抗方法的原理
机械阻抗技术是近年来发展的无损检测新技 术 ，是 弹 性 波 波 动 理 论 在 结 构 损 伤 评 价 中 的 又 一 重 要 应 用 。 它 将 智 能 材 料 特 性 与 波 动 理 论 相 结 合 ，运 用阻抗信息对结构进行损伤检测。其基本原理是： 如果 结 构 中 存 在 一 些 缺 陷，如 裂 纹、孔、腐 蚀 等，结 构 的 机 械 阻 抗 将 会 发 生 变 化 ，通 过 在 动 力 作 用 频 率 范围内测试阻抗的变化程度可判断缺陷和损伤程 度。通 常，机 械 阻 抗 的 直 接 测 试 是 比 较 困 难 的，但 在该技术中，将低功率的压电陶瓷 ＰＺＴ（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃ－ ｔｒｉｃ）片作 为 驱 动 器 和 传 感 器 固 定 在 结 构 上，利 用 ＰＺＴ 片的机 电 耦 合 特 性 以 及 ＰＺＴ 片 与 结 构 的 相 互作用，可将结 构 的 机 械 阻 抗 通 过 ＰＺＴ 片 与 结 构 结合体的电阻抗 反 映 出 来。ＰＺＴ 片 与 结 构 的 相 互 作用 可 用 一 个 简 单 的 阻 抗 模 型 来 描 述，ＰＺＴ 片 与 结构的 机 电 耦 合 原 理 如 图 １ 所 示，ＰＺＴ 片 同 时 作 为驱动元件和传感元件对结构进行激励并获取结 构的动力响应。