一种基于高次谐波特征的螺栓连接件弯曲刚度评估方法

本发明涉及机械部件健康监测，具体涉及一种基于高次谐波特征的螺栓连接件弯曲刚度评估方法。

背景技术：

1、螺栓连接是机械部件最常用的连接方式之一。然而，连接件在振动作用下会产生螺栓松动进而发生松脱或断裂，导致连接失效最终诱发紧固机械部件故障或损坏。另一方面，在螺栓松脱过程中，连接件弯曲刚度会逐渐降低，导致结构抵抗弯曲变形能力降低。因此，对螺栓松脱状态下连接件弯曲刚度进行定量评估对于保障紧固机械部件安全运行至关重要。

2、对于螺栓紧固状态下的连接件，可建立其线性振动平衡方程，通过对其振动响应进行反分析，从而计算连接件弯曲刚度。然而，对于螺栓松脱状态下的连接件，由于其连接界面在振动过程中发生“张开-闭合”运动，导致其弯曲刚度随振动周期表现为上下限之间的周期性变化；另一方面，其振动响应存在例如高次谐波的非线性特征。此背景下，现有基于线性振动理论的方法无法计算螺栓松脱状态下连接件弯曲刚度。

技术实现思路

1、为解决现有技术无法计算螺栓松脱状态下连接件弯曲刚度的技术问题，本发明提供一种基于高次谐波特征的螺栓连接件弯曲刚度评估方法，建立螺栓连接件非线性振动平衡方程，使用谐波和高次谐波特征对连接件振动过程中弯曲刚度上下限进行定量评估。

2、本发明提供了如下的技术方案：

3、一种基于高次谐波特征的螺栓连接件弯曲刚度评估方法，包括以下步骤：

4、获得待评估的螺栓在紧固状态下的连接件弯曲刚度；

5、建立弯曲刚度折减系数上下限未知的螺栓松脱连接件单自由度动力学模型，计算获得螺栓松脱连接件非线性稳态谐响应中的谐波和高次谐波特征；

6、对螺栓松脱连接件施加频率为ω的简谐激励f，获取螺栓松脱连接件实测非线性稳态谐响应，并提取其中频率分别为ω、2ω和3ω的谐波幅值特征和高次谐波幅值特征；

7、根据实测获得非线性稳态谐响应中的谐波和高次谐波特征与计算获得非线性稳态谐响应中的谐波和高次谐波特征建立目标函数，使计算的谐波和高次谐波特征接近于实测的谐波和高次谐波特征，以螺栓紧固状态下的连接件弯曲刚度作为螺栓松脱状态下弯曲刚度上下限的初始值；通过优化算法计算螺栓松脱状态下连接件的弯曲刚度折减系数上下限，从而定量评估连接件弯曲刚度。

8、优选地，所述获得待评估的螺栓在紧固状态下的连接件弯曲刚度，包括以下步骤：

9、建立螺栓紧固连接件的动力学模型，计算获得螺栓紧固连接件线性稳态谐响应中的谐波特征；对螺栓紧固连接件进行单一频率简谐激励，获取其实测的线性稳态谐响应并提取其中的谐波特征；

10、根据实测获得的谐波特征与计算获得的谐波特征建立目标函数，使计算的谐波特征接近于实测的谐波特征；通过优化算法不断迭代动力学模型中的弯曲刚度，直至目标函数收敛于零，获得螺栓紧固状态下的连接件弯曲刚度。

11、优选地，所述建立螺栓紧固连接件的动力学模型，计算获得螺栓紧固连接件线性稳态谐响应中的谐波特征，包括以下步骤：

12、建立质量m和阻尼比ξ已知、弯曲刚度k未知的螺栓紧固连接件单自由度动力学模型，其线性振动方程为

13、

14、其中，w为位移、ωn为连接件自然频率、f为施加的频率为ω的简谐激励。

15、优选地，所述根据实测获得的谐波特征与计算获得的谐波特征建立目标函数，包括以下步骤：

16、根据连接件实测与计算的稳态谐响应中的谐波特征建立目标函数：

17、

18、其中，为通过数值求解螺栓紧固连接件线性振动方程得到的频率为ω的谐波幅值特征、为通过实测获得的螺栓紧固连接件的谐波幅值特征；

19、通过优化算法不断迭代连接件动力学模型中的弯曲刚度k直至目标函数x收敛于零，从而得到螺栓紧固状态下连接件弯曲刚度。

20、优选地，所述建立弯曲刚度折减系数上下限未知的螺栓松脱连接件单自由度动力学模型，包括以下步骤：

21、建立弯曲刚度折减系数上下限未知的螺栓松脱连接件单自由度动力学模型，其非线性振动方程为

22、

23、其中α和β分别为弯曲刚度折减系数的上下限。

24、优选地，所述实测获得螺栓松脱连接件非线性稳态谐响应中的谐波和高次谐波特征，包括以下步骤：

25、对螺栓松脱连接件施加频率为ω的简谐激励f，获取螺栓松脱连接件实测非线性稳态谐响应，并提取其中频率分别为ω、2ω和3ω的谐波幅值特征和高次谐波幅值特征和

26、优选地，所述根据实测的非线性稳态谐响应中谐波和高次谐波特征与计算的非线性稳态谐响应中谐波和高次谐波特征建立目标函数，包括以下步骤：

27、获取实测稳态谐响应中的谐波幅值特征和高次谐波幅值特征和获取计算稳态谐响应中的谐波幅值特征和高次谐波幅值特征和

28、根据螺栓松脱连接件实测与计算稳态谐响应中的谐波和高次谐波特征建立目标函数：

29、

30、其中，为通过数值求解螺栓松脱连接件非线性振动方程得到的谐波幅值特征、和为求解得到的高次谐波幅值特征；高次谐波幅值特征包括二次谐波幅值特征和三次谐波幅值特征；

31、以螺栓紧固状态下的连接件弯曲刚度k作为螺栓松脱状态下弯曲刚度上限αk和下限βk的初始值，通过优化算法不断迭代连接件动力学模型中的弯曲刚度折减系数上限α和下限β直至目标函数y收敛于零，进而定量评估螺栓松脱状态下连接件弯曲刚度上限αk和下限βk，其中α和β初始值为1。

32、优选地，所述优化方法为粒子群优化算法。

33、本发明的有益效果：

34、本发明公开了一种使用高次谐波特征的螺栓连接件弯曲刚度定量评估方法。本发明通过提取谐波和高次谐波特征，由螺栓连接件非线性振动响应定量评估其弯曲刚度，解决了现有线性振动理论无法计算螺栓松脱状态下连接件弯曲刚度的技术问题，获得了螺栓松脱状态下连接件弯曲刚度准确的评估结果。

技术特征：

1.一种基于高次谐波特征的螺栓连接件弯曲刚度评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于高次谐波特征的螺栓连接件弯曲刚度评估方法，其特征在于，所述获得待评估的螺栓在紧固状态下的连接件弯曲刚度，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种基于高次谐波特征的螺栓连接件弯曲刚度评估方法，其特征在于，所述建立螺栓紧固连接件的动力学模型，计算获得螺栓紧固连接件线性稳态谐响应中的谐波特征，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种基于高次谐波特征的螺栓连接件弯曲刚度评估方法，其特征在于，所述根据实测获得的谐波特征与计算获得的谐波特征建立目标函数，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种基于高次谐波特征的螺栓连接件弯曲刚度评估方法，其特征在于，所述建立弯曲刚度折减系数上下限未知的螺栓松脱连接件单自由度动力学模型，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种基于高次谐波特征的螺栓连接件弯曲刚度评估方法，其特征在于，所述根据实测获得非线性稳态谐响应中的谐波和高次谐波特征与计算获得非线性稳态谐响应中谐波和高次谐波特征建立目标函数，包括以下步骤：

7.根据权利要求1所述的一种基于高次谐波特征的螺栓连接件弯曲刚度评估方法，其特征在于，所述优化方法为粒子群优化算法。

技术总结
本发明提供一种基于高次谐波特征的螺栓连接件弯曲刚度评估方法，属于机械部件健康监测技术领域，包括以下步骤：建立螺栓紧固连接件的动力学模型，根据连接件实测与计算线性稳态谐响应中的谐波特征建立目标函数，通过优化算法计算螺栓紧固状态下连接件弯曲刚度；建立螺栓松脱连接件动力学模型，根据连接件实测与计算非线性稳态谐响应中的谐波和高次谐波特征建立目标函数，以螺栓紧固状态下的连接件弯曲刚度作为螺栓松脱状态下弯曲刚度上下限的初始值，通过优化算法计算螺栓松脱状态下连接件的弯曲刚度折减系数上下限，从而定量评估连接件弯曲刚度。该方法通过提取高次谐波特征，由螺栓连接件非线性振动响应定量评估其弯曲刚度。

技术研发人员：徐炜,曹茂森,谢敏新,季敏聪,李秋实
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15