基于振动响应的螺栓连接件疲劳损伤检测研究

作     者：郭赛赛 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何声馨（Hsinshen Ho）

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：螺栓连接件 振动疲劳试验 损伤检测 主成分分析 疲劳寿命 

摘      要：螺栓连接因装配简单、互换性强被广泛应用于工程机械、航空航天等诸多领域,往往长期在恶劣的振动环境下服役,由振动诱发的疲劳是它的主要失效形式。因此,开展基于振动响应的螺栓连接件疲劳损伤检测研究,实现其损伤状态的早期诊断,显得十分必要。本文的主要研究工作如下:首先,开展了不同预紧力矩下的螺栓连接振动疲劳测试。依据标准设计了振动疲劳试样,量化了振动疲劳试验测试平台的非线性,拟合了应变与振动加速度的线性曲线,采用加速度幅值控制实验载荷水平。基于试样固有频率的变化调整其激励频率,实现螺栓连接件的共振疲劳测试,最后开展了不同预紧力矩下的螺栓连接疲劳实验。其次,开发了一种多参数损伤检测方法。基于振动响应提取十六种损伤检测参数,所提取的损伤监测参数分为线性参数和非线性参数两类。前者主要包括了固有频率、基于传递率函数的损伤参数,后者主要涵盖了正弦信号激励下的响应的时域统计量和总谐波失真、多正弦激励下的时域响应信号的统计性质、基于传递率函数非线性扰动的损伤参数。着重研究了传递率函数的非线性扰动的提取与量化方法,基于非线性扰动定义了一种非线性损伤参数(TNL),它对损伤具有较高的灵敏度。针对众多损伤参数包含冗余损伤信息的问题,基于主成分分析建立螺栓连接件的综合损伤指标,通过该综合指标的变化趋势,发现在不同的预紧力矩下,裂纹萌生在螺栓连接件疲劳寿命中占主导。最后,开展不同预紧力矩下的螺栓连接件振动疲劳寿命和损伤分析。结果表明:随着预紧力矩的增加,疲劳寿命呈现出先减后增的趋势。在表面裂纹分析中,基于裂纹的变形范围和萌生角度对比发现:裂纹萌生角度是影响疲劳寿命的主要因素。本文开展的疲劳损伤检测研究,对众多损伤参数的适用条件和检测效果进行了讨论,建立的多参数损伤检测方法可为相关的损伤振动检测研究提供参考。