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 徐彥偉，譚躍剛

 （武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北  武漢  430070）

摘要：為研究螺栓松脫的檢測(cè)識(shí)別方法，設(shè)計(jì)了帶螺栓連接的硬鋁合金加筋板結(jié)構(gòu)，采用光纖光柵傳感器測(cè)量加筋板共振時(shí)螺栓松脫前、后的應(yīng)變響應(yīng)，并以此應(yīng)變響應(yīng)為標(biāo)識(shí)量來(lái)識(shí)別螺栓脫落的位置。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用應(yīng)變模態(tài)為標(biāo)識(shí)量能夠準(zhǔn)確識(shí)別加筋板緊固件的螺栓松脫位置。

關(guān)鍵詞：應(yīng)變模態(tài)；螺栓松脫；損傷識(shí)別；加筋板 中圖分類號(hào)：V214.3：TP391.7  

0  引言

 加筋壁板是飛機(jī)設(shè)計(jì)中常用的一種典型結(jié)構(gòu)形式，它廣泛應(yīng)用于機(jī)身和機(jī)翼表面結(jié)構(gòu)中，飛行中它們將承受著壓縮、剪切、彎曲和扭轉(zhuǎn)等載荷作用，除了出現(xiàn)裂紋等損傷形式外，加筋壁板緊固連接件如鉚釘、螺栓的松脫，也是一種最為常見(jiàn)的連接失效損傷模式，這些松脫損傷均可能會(huì)造成嚴(yán)重的飛行事故。如2014年法國(guó)航空公司一架航班在飛行途中因部分機(jī)翼上的連接緊固件突然脫落，迫使航班緊急返航。因此，對(duì)加筋板緊固件螺栓松脫損傷進(jìn)行檢測(cè)與識(shí)別也是飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的主要任務(wù)之一。

 一般來(lái)說(shuō)，緊固件結(jié)構(gòu)螺栓松動(dòng)損傷對(duì)結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力學(xué)參數(shù)如固有頻率、振型、阻尼、功率譜等的影響非常有限，但螺栓在結(jié)構(gòu)的局部區(qū)域發(fā)生松動(dòng)損傷后，螺栓脫落部位的應(yīng)變分布會(huì)發(fā)生急劇變化，而離螺栓脫落處比較遠(yuǎn)的部位結(jié)構(gòu)應(yīng)變變化不是很明顯，因此，采用應(yīng)變模態(tài)對(duì)螺栓松脫損傷識(shí)別與定位具有更大的優(yōu)勢(shì)。Yam等人針對(duì)帶孔損傷板結(jié)構(gòu)研究了損傷前、后位移模態(tài)和應(yīng)變模態(tài)的變化，結(jié)果表明應(yīng)變模態(tài)參數(shù)對(duì)局部損傷非常敏感。

1  利用應(yīng)變模態(tài)識(shí)別損傷的方法

 應(yīng)變是位移的一階導(dǎo)數(shù)，對(duì)于結(jié)構(gòu)的每一階固有頻率下的位移振型，則有一個(gè)結(jié)構(gòu)固有的應(yīng)變分布狀態(tài)與之相對(duì)應(yīng)，這種與每一階位移振型相對(duì)應(yīng)的應(yīng)變分布狀態(tài)稱為結(jié)構(gòu)的應(yīng)變模態(tài)，它和固有頻率及振型一樣，反映了結(jié)構(gòu)的固有特征，與外荷載無(wú)關(guān)。由材料力學(xué)理論可知，結(jié)構(gòu)在局部區(qū)域發(fā)生損傷后，損傷區(qū)域的應(yīng)變分布會(huì)急劇變化，而遠(yuǎn)離損傷區(qū)域的結(jié)構(gòu)應(yīng)變變化卻很微小。眾多研究也表明，應(yīng)變模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)的局部區(qū)域損傷極其敏感，故可以作為一種比較理想的結(jié)構(gòu)局域損傷診斷標(biāo)識(shí)量。相比其他動(dòng)力學(xué)參數(shù)而言，應(yīng)變模態(tài)可以直接研究某些關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)變，如應(yīng)力集中問(wèn)題、結(jié)構(gòu)局域變化對(duì)區(qū)域附近影響的問(wèn)題等。所以，在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別時(shí)，只要比較完好結(jié)構(gòu)和損傷結(jié)構(gòu)的應(yīng)變模態(tài)變化，就可以判定結(jié)構(gòu)損傷的位置和程度。

 利用應(yīng)變模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別，首先要獲取結(jié)構(gòu)的應(yīng)變模態(tài)。對(duì)于非密集模態(tài)的結(jié)構(gòu)，采用共振激勵(lì)來(lái)獲取結(jié)構(gòu)的應(yīng)變模態(tài)是一種快速而有效的方法。具體做法為：以結(jié)構(gòu)的第r階固有頻率對(duì)其進(jìn)行共振激振，測(cè)量結(jié)構(gòu)每個(gè)參考點(diǎn)處的應(yīng)變響應(yīng)并進(jìn)行歸一化處理，即可近似地得到結(jié)構(gòu)的第r階應(yīng)變模態(tài)。以光纖光柵為傳感器測(cè)量結(jié)構(gòu)的應(yīng)變響應(yīng)時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)變模態(tài)的測(cè)試流程如圖1所示。

 下面將研究基于光纖光柵傳感來(lái)獲取加筋板結(jié)構(gòu)在螺栓連接處的應(yīng)變模態(tài)，并以此為標(biāo)識(shí)量通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)檢測(cè)識(shí)別螺栓松動(dòng)狀況。

2  基于應(yīng)變模態(tài)的螺栓松脫識(shí)別試驗(yàn)

2.1  試驗(yàn)研究對(duì)象及測(cè)試系統(tǒng)

 試驗(yàn)研究對(duì)象為帶L型筋條的鋁合金加筋板模型，如圖2所示。模型材料選用7075鋁合金，彈性模量為71.7 G Pa，泊松比為0.33，密度為2.819 g／cm3，板厚為2 mm，板長(zhǎng)為450 mm，板寬為300 mm。在鋁合金板的中間固定一L型筋條，鋁合金板與L型筋條用10個(gè)M6的螺栓連接。使用力矩扳手對(duì)每個(gè)螺栓施加一樣的預(yù)緊力，使得每個(gè)螺栓完好連接時(shí)的擰緊力矩均為4.8 Nm。試驗(yàn)使用的測(cè)試裝置有DG1000系列雙通道信號(hào)發(fā)生器、功率放大器及激振器、武漢理工光科的高速光纖光柵解調(diào)儀和計(jì)算機(jī)。

2.2  試驗(yàn)方法及步驟

 建立加筋板實(shí)驗(yàn)臺(tái)，在加筋板的一端施加固定約束，另一端由激振器對(duì)其施加第一階固有頻率下的共振激勵(lì)，使其產(chǎn)生共振。選取加筋板上中間的8個(gè)螺栓為本次試驗(yàn)的測(cè)試對(duì)象，對(duì)每個(gè)螺栓依次標(biāo)記為1號(hào)、…、8號(hào)(如圖2(a)所示），分別在距每個(gè)測(cè)試螺栓擰緊螺帽5 mm處交叉粘貼光纖光柵傳感器，共粘貼了8個(gè)光纖光柵傳感器，其中每4個(gè)光柵傳感器焊接在一根光纖上，使用波分復(fù)用技術(shù)分2個(gè)信道接人解調(diào)儀中。光纖光柵解調(diào)儀采用武漢理工光科的高速光纖光柵解調(diào)儀，用以測(cè)量加筋板在共振激勵(lì)下螺栓松脫位置處的應(yīng)變響應(yīng)。

 將加筋板上螺栓松脫作為損傷情況，通過(guò)施加在螺栓上預(yù)緊力的大小來(lái)模擬螺栓松脫，螺栓連接完好時(shí)的預(yù)緊力矩為4.8 Nm，螺栓松脫時(shí)的預(yù)緊力矩為0Nm。本文設(shè)計(jì)的損傷模式為單個(gè)螺栓松脫和同時(shí)松脫2個(gè)螺栓，共設(shè)置了以下5種工況。工況1：完好連接；工況2：3號(hào)螺栓單獨(dú)松脫；工況3：5號(hào)螺栓單獨(dú)松脫；工況4：2號(hào)、3號(hào)螺栓同時(shí)松脫；工況5：4號(hào)、6號(hào)螺栓同時(shí)松脫。在設(shè)定的每種工況下，對(duì)8個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行一次應(yīng)變測(cè)量，每次測(cè)量均在對(duì)加筋板施加第一階共振激勵(lì)下進(jìn)行。提取各測(cè)點(diǎn)在每一工況下的應(yīng)變響應(yīng)幅值，就可以得到加筋板結(jié)構(gòu)每一工況下8個(gè)螺栓位置處的第一階應(yīng)變模態(tài)。然后對(duì)各種螺栓松脫工況下的應(yīng)變模態(tài)和結(jié)構(gòu)完好連接時(shí)的應(yīng)變模態(tài)進(jìn)行比較分析。

2.3  試驗(yàn)結(jié)果分析

 圖3為加筋板上單個(gè)螺栓松脫時(shí)損傷結(jié)構(gòu)應(yīng)變模態(tài)與結(jié)構(gòu)完好連接時(shí)應(yīng)變模態(tài)的比較。

 從圖3中可看出，當(dāng)加筋板上3號(hào)和5號(hào)螺栓單獨(dú)出現(xiàn)松脫時(shí)，即在3號(hào)和5號(hào)位置處發(fā)生了損傷，螺栓松脫損傷處的第一階應(yīng)變模態(tài)發(fā)生很大的變化，而其他未損傷位置的應(yīng)變模態(tài)幾乎不變。

 圖4為兩個(gè)螺栓松脫時(shí)損傷結(jié)構(gòu)應(yīng)變模態(tài)與完好結(jié)構(gòu)應(yīng)變模態(tài)的比較。從圖4中可看出，當(dāng)加筋板上兩個(gè)相鄰的2號(hào)、3號(hào)螺栓或者相離的4號(hào)、6號(hào)螺栓同時(shí)發(fā)生松脫時(shí)，即結(jié)構(gòu)有兩處發(fā)生損傷時(shí)，發(fā)生螺栓松脫位置處的應(yīng)變模態(tài)發(fā)生很大的變化，而其他未損傷位置的應(yīng)變模態(tài)幾乎不變。

 從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，應(yīng)變模態(tài)參數(shù)對(duì)螺栓松動(dòng)非常敏感，通過(guò)比較連接處螺栓松脫前、后的應(yīng)變模態(tài)能夠準(zhǔn)確識(shí)別加筋板緊固件的螺栓松脫位置。

3結(jié)論

 (1)應(yīng)變模態(tài)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的局部損傷非常敏感，當(dāng)加筋板上某處的螺栓松脫時(shí)，即結(jié)構(gòu)某處發(fā)生損傷時(shí)，此處的應(yīng)變模態(tài)發(fā)生很大的變化，而其他未損傷位置的應(yīng)變模態(tài)幾乎不變。通過(guò)測(cè)量加筋板結(jié)構(gòu)的應(yīng)變模態(tài)能夠準(zhǔn)確識(shí)別其緊固螺栓的連接狀況。

 (2)光纖布拉格光柵能夠準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)構(gòu)的應(yīng)變模態(tài)，通過(guò)此次試驗(yàn)，同時(shí)可以看到光纖光柵傳感器在結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)試中的突出優(yōu)點(diǎn)，對(duì)微小的局部應(yīng)變靈敏度高，在多次的重復(fù)實(shí)驗(yàn)中，光纖光柵傳感器的測(cè)量值都非常穩(wěn)定，在大型結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。