一种热-力-振耦合环境下的螺栓松动检测实验装置及方法

本发明属于螺栓松动检测及故障诊断，具体涉及一种热-力-振耦合环境下的螺栓松动检测实验装置及方法。

背景技术：

1、螺栓连接与传统铆接、焊接连接方式相比，具有成本低、可靠性高、更换方便以及承载力强、能适应恶劣环境等优点。因此，通过螺栓连接的薄壁结构广泛应用于航空航天领域当中，如飞机机翼整体壁板、导弹壳体、航天飞机的外部燃料箱、火箭压力储罐等都属于典型的带连接件的螺栓连接薄壁结构。

2、航空航天飞行器薄壁结构在服役过程中面临着高温、宽频高强度噪声及随机振动等严酷的热-力-振耦合环境，如发动机排气道系统、飞行器表面气动加热问题。在热-力-振耦合环境下，薄壁结构螺栓连接部位易产生局部螺栓松动、脱落等故障，引起预紧力不够，从而造成螺栓结构失效。而关键连接部位的螺栓松动将直接导致整个结构崩溃，给飞行器结构的整体安全带来重大隐患。因此，在热-力-振耦合环境下开展对薄壁结构的紧固件松脱损伤检测，可以确保飞行器服役过程的安全和可靠性，亦是飞行器结构健康监测领域的亟待开展的研究任务。

3、传统的螺栓松动识别与状态监测方法主要包括三种：基于超声导波技术、基于压电阻抗技术和基于振动技术的方法。其中，相较于其他方法，基于振动技术的螺栓松动监测方法的优势包括：振动传感器的安装和振动信号的采集更为方便，易实现在线监测，且对设备结构无损伤，对环境要求不高，故一直以来受到国内外研究者的广泛关注。

4、然而，面对航空航天日益复杂的热-力-振耦合实验环境，现有基于振动技术的螺栓松动检测实验装置难以实现螺栓松动监测，或者是即使能够实现，也难以快速、准确检测螺栓松动，且存在实验设备容易损坏的安全隐患。具体原因如下：

5、1.在机理耦合方面，传统的振动实验装置如振动台仅能施加单一振动维度因素，未能考虑轴向应力与温度对振动的耦合影响。如图1所示，对于典型的板或梁结构试件，对其施加轴向拉力会减小试件的轴向刚度，施加轴向压力会增大试件的轴向刚度，而试件刚度的改变会使试件振动信号所蕴含的特征信息改变。当试件承受高温热载荷作用时，试件材料的力学性能会发生很大变化，如弹性模量和剪切模量会急剧降低。另外，热载荷也会在结构内部产生热应力，使其刚度下降，进而导致频率逐渐降低。而发生热屈曲后热变形效应会增大结构刚度，又使频率迅速增大。因此，仅考虑单一振动维度因素，得到的实验数据会脱离实际工况，导致检测结果不准确。

6、2.在实验环境操作方面，传统热实验装置如温度箱，大多处于全场密闭加热状态，而振动信号采集需要的各种仪器设备如激振器、lms数据采集系统、加速度传感器、信号传输线等对温度工作环境极为敏感，温度环境的不可控不仅导致数据缺乏真实性，甚至会使实验设备发生损坏。传统拉力实验装置如拉力试验机设备庞大，操作复杂，同时在加热环境中亦存在设备易损坏问题。这些问题的叠加同时也为整个热-力-振多场耦合实验增加了不确定性和安全隐患。

技术实现思路

1、为了解决现有基于振动技术的螺栓松动检测实验装置在热-力-振耦合环境下难以实现螺栓松动监测，或者是即使能够实现，也难以快速、准确检测螺栓松动的技术问题，本发明提出了一种热-力-振耦合环境下的螺栓松动检测实验装置及方法。

2、本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

3、一种热-力-振耦合环境下的螺栓松动检测实验装置，其特殊之处在于：包括水平实验台、实验件、支撑夹持单元、轴向力施加单元、导向单元、振动单元、加热单元、检测单元和数据采集单元；

4、实验件包括通过待检测螺栓连接的两块薄壁板；实验件的两端部分别开设有用于与支撑夹持单元连接的第一螺栓过孔；

5、支撑夹持单元设置在所述水平实验台上，包括基座和夹持垫板；基座有两个，间隔设置；每个基座包括底板和垂直设置在底板上的立柱；夹持垫板有两个，分别设置在两个基座的立柱的同侧；夹持垫板上设有第二螺栓过孔，基座的立柱上设有螺纹孔；所述第一螺栓过孔、第二螺栓过孔和螺纹孔一一对应匹配；所述实验件安装在夹持垫板与基座的立柱之间，向所述第一螺栓过孔、第二螺栓过孔和螺纹孔中装入连接螺栓，将实验件固定；

6、轴向力施加单元有两个，分别用于从上部和下部两处向所述实验件施加轴向力；单个轴向力施加单元包括丝杠；所述丝杠直接或间接与所述基座的立柱构成丝杠传动机构，以通过转动丝杠带动所述两个基座之一沿垂直于所述待检测螺栓的轴线方向靠近或远离所述实验件，从而向所述实验件施加轴向力；

7、导向单元用于为发生移动的基座提供导向作用，使其仅沿直线运动；

8、振动单元用于向所述实验件提供振动激励；

9、加热单元用于提供螺栓松动检测实验所需环境温度，为开放式加热单元，与所述实验件相对设置；

10、检测单元用于检测实验过程中的激励信号、实验温度、振动信号和应变量；检测单元设置在所述实验件上背对所述加热单元的那一面；

11、数据采集单元用于采集所述激励信号、实验温度、振动信号和应变量，并根据所述应变量计算施加在所述实验件上的轴向力。

12、进一步地，单个所述轴向力施加单元还包括两个固定夹具块；固定夹具块上设有用于与所述丝杠螺纹配合的螺孔；位于基座上部的轴向力施加单元，其两个固定夹具块分别设置在两个基座的立柱的上端面上，丝杠水平设置在基座的上方且依次穿过两个固定夹具块侧壁的螺纹通孔；位于基座下部的轴向力施加单元，其两个固定夹具块分别设置在两个基座的立柱的侧壁上，且固定夹具块上的螺纹通孔与基座的立柱侧壁上的过孔相对应，丝杠水平设置且穿过基座下部侧壁的过孔和固定夹具块侧壁的螺纹通孔。

13、进一步地，所述固定夹具块与基座之间为螺栓连接、销连接或者铆接。

14、进一步地，所述丝杠的一端设有丝杠旋钮。

15、进一步地，所述加热单元为电阻丝电加热装置；所述振动单元为激振器，激振器的导杆通过耐高温胶与实验件连接；所述检测单元包括设置在实验件背面的力传感器、温度传感器、加速度传感器和应变片。

16、进一步地，所述数据采集单元包括lms数据采集系统、温度传感器读数计和静态应变测量仪；lms数据采集系统与所述力传感器和加速度传感器相连，进行激励信号和振动信号的采集和存储；温度传感器读数计与温度传感器连接，直接采集并存储当前实验温度；静态应变测量仪与应变片连接，用于采集当前状态应变片测量的应变量，并通过应变和应力关系式，计算施加在实验件上的轴向力大小。

17、本发明还提供了一种利用上述的热-力-振耦合环境下的螺栓松动检测实验装置识别检测螺栓松动状态的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

18、步骤1：制作并安装实验件

19、根据待检测产品的待检测部位的壁厚及连接螺栓的规格制作实验件，将螺栓松动检测实验装置的其中一个基座固定在水平实验台上，另一个基座仅放置在水平实验台上，然后将制作好的实验件装夹在螺栓松动检测实验装置的夹持垫板与基座的立柱之间；

20、步骤2：向实验件施加并检测轴向应力

21、步骤2.1：同步顺时针或逆时针转动位于基座上方和下部的丝杠，向实验件施加轴向应力后，将仅放置在水平实验台上的基座固定于水平实验台上；

22、步骤2.2：测量应变数据，利用应力应变关系式计算施加给实验件的轴向应力；

23、步骤3：施加温度场

24、打开加热单元，通过调整其加热温度和/或与实验件的间距以控制实验件的表面温度，测量实验件背面的温度作为环境场温度；

25、步骤4：开展热-力-振耦合环境下的螺栓松动检测实验，采集并记录实验数据

26、步骤4.1：利用振动单元向实验件施加振动激励，并控制振动单元的激励形式、激励频段、激振幅值及激振时间；

27、步骤4.2：保持热-力-振耦合环境不变，根据实验需求通过分别拧松实验件上不同位置的待检测螺栓以设置不同的螺栓松动状态，包括所有螺栓完好状态、多组单螺栓松动状态和一组多螺栓松动状态；

28、步骤4.3：在步骤4.2所设置的不同螺栓松动工况条件下，数据采集单元在预先设置好的实验参数条件下记录检测单元输出的振动信号和激励信号并储存为可处理的数据格式；

29、步骤5：改变实验工况开展对照实验

30、改变加热单元的位置以调整其与实验件的距离从而改变环境场温度，和/或同时丝杠3以改变施加给实验件的轴向应力大小，从而设置不同的环境温度梯度区间和/或不同的轴向应力条件，重复步骤4并记录实验数据；

31、步骤6：振动信号预处理

32、步骤6.1：采用数据增强方法对实验所采集的振动信号进行数据增强；

33、步骤6.2：对增强后的振动信号数据进行滤波降噪；

34、步骤7：构建用于模型训练的数据集

35、步骤7.1：采用特征提取方法挖掘预处理后振动信号中有效的、能够反映螺栓松动的故障信息特征；

36、步骤7.2：将提取的故障信息特征按照一定的比例划分为训练集、验证集和测试集，并将同一实验环境条件下不同螺栓松动工况标记为不同标签形式；

37、步骤8：搭建模型并训练

38、搭建mi-cwt-cnn网络模型并采用所述训练集和验证集进行训练和验证，采用所述测试集对训练模型检测效果进行测试，训练期间根据识别准确率和损失函数及训练效率，调整网络模型参数，包括卷积层数和/或卷积核大小，直至准确率及损失函数满足设定需求，网络模型训练结束；

39、步骤9：螺栓松动检测

40、采集被检测产品待检测部位所处环境温度、所受轴向应力及所受激励信号和振动信号，输入至步骤8得到的mi-cwt-cnn网络模型中进行螺栓松动识别检测，输出识别检测结果。

41、进一步地，步骤6.1中采用采用重叠采样、添加噪声或者几何变换进行数据增强。

42、进一步地，步骤7.1中采用小波变换、hht或者stft方法进行特征提取。

43、进一步地，步骤8中所述的mi-cwt-cnn网络模型包括并行的多个模型参数一致的数据处理通道；各个数据处理通道分别对应各个加速度传感器的时频数据集；各数据处理通道均包括依次设置的卷积层、第一最大池化层、多通道卷积块、第二最大池化层和第一全连接层；所有数据处理通道的输出结果采用concatenate函数串联一起得到的输出结果依次输入第一二维卷积层、第三最大池化层，第二二维卷积层和第四最大池化层中；所述第四最大池化层的输出结果采用flatten函数对数据降维处理后，依次输入第一dropout层、第二全连接层、第二dropout层和第三全连接层。

44、本发明的有益效果是：

45、1.本发明的螺栓松动检测实验装置，克服了传统振动实验装置功能单一性以及传统热-力加载过程中设备冗余、使用过程繁琐、存在安全隐患等缺陷，可以精确加载并控制不同环境温度和轴向应力相互耦合的工作条件，实现航空航天领域热-力-振动多场耦合环境的模拟和加载，从而获得更接近航空航天领域真实工况下的螺栓松动检测实验数据。

46、2.本发明的螺栓松动检测实验装置采取开放式加热方式，不仅使得实验环境布置更为宽松，而且实验器材不会直接置于高温热场环境中，在一定程度上可避免实验器材损坏问题。同时，本发明的螺栓松动检测实验装置将丝杠与固定夹具结合，通过旋转丝杠便可向实验件施加轴向拉压应力。总体而言，本发明装置可以搭建热-力-振多场耦合实验环境，并根据实验需求能够精确控制热-力耦合因素，具有调节快速准确、操作便捷、安全可靠的优点。

47、3.本发明在传统振动实验装置上进行创新性的改进，填补航空航天领域热-力-振耦合实验室环境的研制空白，为我国实验多场耦合环境的航空航天飞行器结构研制提供可靠地面模拟多场耦合实验环境。

48、4.本发明的螺栓松动检测方法，将多振动传感器数据的小波变换频谱图进行融合输入，并从中挖掘潜在特征信息，进行故障诊断和螺栓松动识别。相比其它传统方法极大地提高了螺栓松动的识别精度和识别效率，降低了故障的误判率。

49、5.本发明的螺栓松动检测方法，设备搭建方便、振动信号采集容易，易实现在线监测，且对设备结构无损伤，对环境要求不高。本发明的推广和使用将进一步提升我国在螺栓松动检测及故障诊断技术领域的水平。

50、6.本发明的螺栓松动检测方法，将一维振动信号进行扩维，得到二维灰度图像，能够反映信号时域和频域的特征，提高识别准确率。

51、7.常规的螺栓松动检测方法是采样单传感器的信号作为网络模型的输入，本发明建立mi-cwt-cnn网络模型，采样多传感器信号作为mi-cwt-cnn网络模型的输入，进行加权判断和信息综合，避免了局部信息的限制，极大降低了误诊率。