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(西北工業(yè)大學航天學院，西安 710072)

0 引言

螺栓連接作為主要的可拆連接方式已被廣泛應用于航空航天結(jié)構(gòu)中[1]。在使用過程中，螺栓連接存在著多種可能的失效模式，包括螺栓松動、連接界面滑動和分離、疲勞裂紋和斷裂等[2]。由于安裝過程中的預緊力加載不當，以及服役期間承受的各種時變載荷或其他環(huán)境因素作用，螺栓松動成為其中最常見的問題。關(guān)鍵部位的螺栓松動會直接導致整個結(jié)構(gòu)的失效，因此對螺栓預緊力進行監(jiān)測對于確保結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性至關(guān)重要。

在航空航天領(lǐng)域，隨著飛行器結(jié)構(gòu)復雜化與服役環(huán)境的惡劣化，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)(Struc-tural Health Monitoring，SHM)成為保障結(jié)構(gòu)安全性與可靠性的重要手段，是航空航天力學與環(huán)境工程領(lǐng)域的前沿技術(shù)之一。根據(jù)國際航空航天工業(yè)SHM指導委員會的定義[3]，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是指通過在被監(jiān)測結(jié)構(gòu)中集成傳感器，并從傳感器獲取和分析數(shù)據(jù)以確定結(jié)構(gòu)健康狀況的過程。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)具有結(jié)構(gòu)功能一體化集成、原位監(jiān)測和實時在線診斷的能力，目前已有較多利用SHM方法開展不同結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中螺栓松動監(jiān)測問題的研究[1]。常用的技術(shù)方法主要有基于振動、基于機電阻抗和基于導波的SHM技術(shù)3類。在基于振動的SHM 技術(shù)中，結(jié)構(gòu)整體的動態(tài)特性，如固有頻率、模態(tài)和頻率響應函數(shù)等被用于檢測螺栓松動[4]。然而，由于組裝結(jié)構(gòu)通常由很多螺栓組成并且螺栓連接是局部結(jié)構(gòu)元件，所以局部位置處的螺栓松動不會導致整體結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的顯著改變[5]。因此，基于振動的SHM技術(shù)對于螺栓預緊力的變化并不敏感，導致該技術(shù)的監(jiān)測靈敏度較差?；跈C電阻抗的SHM技術(shù)通過監(jiān)測螺栓連接部機械阻抗的變化來確定螺栓預緊力[6-7]。在該方法中，通常需在緊靠螺栓連接的部位黏貼壓電傳感器(PZT)，由于PZT的電阻抗與機械阻抗耦合，從而可以通過測量電阻抗的變化識別出螺栓預緊力的變化[8-9]。已有研究表明，使用機電阻抗技術(shù)可以實現(xiàn)螺栓松動的有效監(jiān)測[10-12]，但它的檢測范圍局限于壓電傳感器附近[13]，并且需要昂貴的高精度阻抗分析儀[14]，因此存在一定的局限性。

基于導波的SHM技術(shù)在過去20年得到了深入的發(fā)展[15-16]。近年來，由于導波較大的檢測范圍和較高的靈敏度，基于導波的螺栓預緊力監(jiān)測方法吸引了越來越多學者的關(guān)注[1]，被認為具有極大的工程應用潛力[17]。本文針對螺栓連接預緊力的導波監(jiān)測方法及相關(guān)理論、技術(shù)進行綜述，目的是梳理該技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和重要突破，為推動該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和工程應用提供一定參考。

1 理論背景與數(shù)值建模

1.1 理論背景

圖1 超聲導波在螺栓連接部的傳播示意圖Fig.1 Schematic of guided wave propagationthrough bolt joint

典型的螺栓連接結(jié)構(gòu)一般由螺栓、螺母和兩個被連接部件組成。從微尺度的角度來看，連接界面上覆蓋了大量的微凸體，實際接觸面積是每對接觸微凸體接觸面積的總和。隨著螺栓預緊力增加，界面處的接觸壓力增加，相應地更多微凸體發(fā)生接觸，微凸體間的接觸面積同時增加，因此總的實際接觸面積隨之增加。當超聲波通過搭接面時，只有一部分入射波能量可以透射過搭接部，另一部分被反射回去或耗散(見圖1)。為定量化的解釋上述過程，美國斯坦福大學Yang等[4]利用Hertz接觸理論和正弦波表面形貌模型來描述粗糙表面接觸，以此得到了真實接觸面積與接觸壓力之間的關(guān)系。其理論分析結(jié)果表明，通過連接結(jié)合面的導波能量與結(jié)合面真實接觸面積成正比，同時真實接觸面積隨著螺栓預緊力的增加而增加。盡管上述理論分析中沒有考慮粗糙接觸面上存在塑性變形，同時接觸面形貌并不能用正弦曲線完全描述，但Yang等[4]的理論分析與實驗結(jié)果較為一致。此后，超聲導波的透射波能量作為擰緊指數(shù)被廣泛用作螺栓松動監(jiān)測，然而根據(jù)粗糙接觸力學理論，當接觸壓力達到一定值時，連接界面處的真實接觸面積會達到飽和值[18]，此時真實接觸面積不再隨著接觸壓力的增加而變化。因此利用透射波能量檢測時，當螺栓預緊力達到一定值后，透過的導波能量不再變化，此時其檢測靈敏度會顯著降低。

由于螺栓連接部中包含接觸界面，因此導波傳入螺栓連接部后信號中會有非線性特征，這些非線性特征也可以被提取并用于螺栓預緊力檢測。與之相對應，前面所提到的導波能量變化未考慮非線性的影響，可以稱之為線性特征。在基于非線性特征的方法中，接觸聲學非線性(Contact Acoustic Nonlinearity, CAN)正引起越來越多的關(guān)注。螺栓松動后在受到一定幅度的聲波或振動的激勵時，連接界面會承受一定的拉壓力，導致界面周期性的開合，進而導致界面剛度的周期性變化，因此結(jié)構(gòu)響應呈現(xiàn)非線性，稱為接觸聲學非線性[19-20]。為激勵連接界面的非線性特征，需要很大的導波幅值，由于壓電元件的激勵幅值一般較小，很難激起結(jié)構(gòu)本身的非線性，為此目前學者常用振動聲調(diào)制(Vibro-acoustic Modulation, VM)、沖擊調(diào)制(Impact Modulation, IM)這兩種方式實現(xiàn)基于CAN的螺栓預緊力監(jiān)測[21]。這兩種方法的主要區(qū)別在于，IM采用沖擊力來激發(fā)被測結(jié)構(gòu)的振動，而VM通過諧波施加穩(wěn)定的振動來激發(fā)被測結(jié)構(gòu)的振動。VM方法和IM方法的本質(zhì)在于接觸界面與振動和波混合激勵的相互作用。當螺栓連接結(jié)構(gòu)中的所有螺栓完全擰緊時，獲得的信號譜分別在振動和波頻率處顯示兩個峰值。當螺栓松動時，頻譜中的波頻率附近會出現(xiàn)額外的頻率分量，稱為左邊頻帶和右邊頻帶。邊頻帶的幅值由CAN的強度決定，因此也可以與螺栓預緊力建立關(guān)聯(lián)關(guān)系[22]。

為了定量描述導波信號頻譜中的邊頻帶幅值與螺栓預緊力之間的關(guān)系，Zhang等[22]建立了螺栓連接部CAN的單自由度理論模型，如圖2(a)所示。基于該模型的分析結(jié)果表明，邊頻帶的幅值與非線性接觸剛度K2呈線性比例關(guān)系，該非線性接觸剛度取決于接合界面處的接觸壓力。 隨后，Zhang等[23]提出了模擬螺栓連接結(jié)構(gòu)的兩自由度非線性模型，以此分析次諧波的物理現(xiàn)象及其產(chǎn)生條件，如圖2(b)所示。在此基礎(chǔ)上，其對于使用次諧波的螺栓連接預緊力檢測的有效性進行了理論驗證。

(a)單自由度模型[22]

(b)2自由度模型[23]圖2 螺栓連接部CAN的理論模型Fig.2 Theoretical modeling of CAN in bolt joint

1.2 數(shù)值建模

僅利用上述簡化的理論分析模型不能準確全面理解導波與螺栓連接部的相互作用機理。由于螺栓結(jié)構(gòu)在波傳播方向是不均勻的，因此不能用解析或半解析方法模擬波在螺栓連接結(jié)構(gòu)中的傳播。有限元法(FEM)可應用于各種復雜的幾何形狀，已成為應用最廣泛的波傳播分析方法。因此，Clayton等[24]建立了螺栓連接結(jié)構(gòu)中導波傳播的三維有限元模型，但為了降低計算成本，其未考慮界面接觸。然后Doyle等[25]、Bao等[26]使用相同的方法建立有限元模型。然而，他們發(fā)現(xiàn)這些模型不能反映不同螺栓預緊力下導波信號的變化。為了考慮界面接觸，Bao等[27]在有限元模型中增加了接觸單元，改進后的模型能夠反映不同預緊力下導波信號的變化，然而信號變化幅度和測量結(jié)果有較大差異。上述模型中接觸面均為光滑的，但實際的接觸表面是粗糙表面。2016年，Parvasi等[14]試圖通過隨機調(diào)整接觸表面處的節(jié)點位置以在有限元模型考慮粗糙表面接觸，如圖3所示，其模擬結(jié)果更接近實驗測量結(jié)果，但接觸面上的網(wǎng)格尺寸(1.8mm)比粗糙表面上的微粗糙體的尺寸大得多。

圖3 考慮PZT傳感器的螺栓搭接結(jié)構(gòu)有限元模型[14]Fig.3 Model geometry (meshed structure): two steel plates joined by a nut and bolt connection with the surface of two PZT transducers mounted on the two plates[14]

上述有限元模型主要用于分析螺栓預緊力與透射導波能量之間的關(guān)系。 Shen等[28]建立了考慮接觸的三維有限元模型來分析由接觸非線性導致的二次諧波與螺栓預緊力之間的關(guān)系，如圖4(a)所示。利用上述模型可以在透射導波信號的頻譜中清晰地觀察到非線性高次諧波(2階諧波和3階諧波)，如圖4(b)所示。仿真結(jié)果同時表明，隨著螺栓預緊力的增加，二次諧波的幅值與激勵頻率幅值的比值隨之減小。

(a)有限元模型

(b)仿真結(jié)果圖4 螺栓搭接結(jié)構(gòu)的有限元模型及透射導波信號的頻譜[28]Fig.4 Transient dynamic contact finite element model and frequency spectrum of simulation signal[28]

2 基于線性特征的監(jiān)測方法

2.1 波能耗散方法

由于透過螺栓連接界面的超聲導波能量與結(jié)合面的接觸狀態(tài)密切相關(guān)，因此直接利用透射導波能量作為檢測指標的相關(guān)方法被廣泛研究，這類方法也被稱為導波能量耗散方法(Wave Energy Dissipation, WED)。針對航天飛機機翼前緣熱防護板中的螺栓預緊力監(jiān)測問題，Yang等[4,29]利用穿過螺栓連接界面的導波能量以及導波能量衰減速度來估計螺栓扭矩水平和松動螺栓的位置。隨后，Wang等[30]使用相似的WED方法來監(jiān)測螺栓預緊力，實驗設(shè)置如圖5所示。實驗結(jié)果如圖6(a)所示，可以看出導波透射能量基本上與扭矩水平成正比，但是當施加的轉(zhuǎn)矩達到一定值時，能量不會隨著螺栓扭矩而變化，這就是所謂的飽和現(xiàn)象。同樣，Amerini等[31]在信號頻域中計算了透射導波的能量，用以評估螺栓搭接接頭的緊固狀態(tài)，實驗結(jié)果如圖6(b)所示，仍然可以看到較為明顯的飽和現(xiàn)象。Yang等[32]將WED方法擴展到復合材料螺栓連接預緊力監(jiān)測。 Haynes等[33]利用激光測振儀，對導波在螺栓搭接結(jié)構(gòu)中的傳播進行了全場測量，通過計算螺栓搭接部前后的導波能量監(jiān)測螺栓扭矩水平，但其實驗結(jié)果中也觀察到飽和現(xiàn)象。另一方面，由于導波的多模態(tài)、頻散和邊界反射，螺栓連接處的導波響應信號相當復雜[31]。因此，K?dra等[34]研究了激勵頻率，接收導波信號時間窗口，傳感器位置等對WED方法檢測精度的影響，其結(jié)果表明這些參數(shù)必須慎重選擇才能獲得較好的測量精度。

圖5 螺栓連接監(jiān)測系統(tǒng)示意圖[30]Fig.5 Schematic of the bolt connection monitoring system[30]

上述螺栓預緊力監(jiān)測方法僅限于含單螺栓的平面螺栓搭接結(jié)構(gòu)，然而在實際結(jié)構(gòu)中，含有復雜零件或多個螺栓的連接結(jié)構(gòu)更為常見，此時，一般需要較為復雜的信號處理方法。 Jalalpour等[35]為了監(jiān)測L形螺栓連接預緊力，提出了一種利用快速Fourier變換，互相關(guān)和模糊模式識別來處理導波信號的預緊力監(jiān)測方法，該方法實現(xiàn)了預緊扭矩的準確檢測，然而其扭矩水平的模糊集合是有限的，限制了其檢測分辨率。Montoya等[36]使用透射導波能量評估了L形螺栓連接結(jié)構(gòu)的剛度。隨后，Montoya等[37]進一步將該方法擴展到連接衛(wèi)星面板的直角支架中螺栓預應力監(jiān)測。實驗結(jié)果顯示，一些測量參數(shù)，如接收導波信號的時間窗口等，對測量的靈敏度和可重復性有重要影響。Mita等[38]針對多螺栓連接結(jié)構(gòu)的螺栓松動監(jiān)測，提出使用支持向量機來識別不同的松動模式。結(jié)果表明，該方法可以識別松動螺栓的位置和松動程度。此后，Liang等[39]為多螺栓結(jié)構(gòu)開發(fā)了一種決策融合系統(tǒng)，如圖7所示。該系統(tǒng)由個體分類、分類器選擇和決策融合組成。實驗結(jié)果表明，所提出的方法能夠通過分析獲取的導波信號準確快速地識別松動螺栓及其位置。

(a)文獻[30]結(jié)果

(b)文獻[31]結(jié)果圖6 WED方法的檢測結(jié)果Fig.6 Results of WED methods

圖7 松動螺栓位置及傳感器布置[39]Fig.7 Sensor layout and joint failure position on the specimen[39]

2.2 時間反轉(zhuǎn)方法

由于導波的多模態(tài)、頻散及散射特性，導波信號總是非常復雜，為此Ing等[40]將時間反轉(zhuǎn)法(Time Reversal, TR)擴展到導波檢測技術(shù)中。在時間反轉(zhuǎn)方法中，接收到的信號被時域反轉(zhuǎn)并作為激勵信號重新發(fā)射，然后可以在原發(fā)射位置重構(gòu)輸入信號。因此，時間反轉(zhuǎn)方法可以有效地減小導波的頻散、多模態(tài)等的影響。近年來，基于時間反轉(zhuǎn)的導波監(jiān)測方法已廣泛應用于金屬[41]、復合材料[42-44]和鋼筋混凝土梁[45]等的損傷檢測中。因此王強等[46]、Parvasi等[14]分別提出采用時間反轉(zhuǎn)法對通過螺栓連接部的導波信號進行聚焦，然后利用聚焦信號的峰值作為預緊力檢測的擰緊指標，實驗結(jié)果表明，所提出的擰緊指數(shù)隨著螺栓扭矩而增加。螺栓預緊力的TR監(jiān)測方法可以分為以下4個步驟，如圖8所示。

步驟1：將一個窄頻脈沖信號e(t)施加到壓電激勵器A，該壓電傳感器在搭接板中激勵出超聲導波；

步驟2：由壓電傳感器B接收導波響應信號u(t)；

步驟3：將接收到的信號u(t)在時域上反轉(zhuǎn)并且使用壓電傳感器B重新激勵；

步驟4：通過壓電傳感器A再次接收導波信號，這樣原始的輸入信號可以被重建，然后重建信號的峰值可以被用作預緊力檢測[14]。

上述信號峰值直接反應了透射導波的能量，不需要像WED方法一樣為接收信號時間窗口的選擇花費努力。

圖8 螺栓預緊力的時間反轉(zhuǎn)導波檢測示意圖Fig.8 Illustration of the time reversal method in a lap jointed beam

由于重新聚焦信號反映了透射波的能量，因此當螺栓預緊力相對較高時，同波能耗散法類似，聚焦信號峰值振幅變化非常緩慢。王濤等[47-48]實驗研究了螺栓預緊力檢測的時間反轉(zhuǎn)導波法，結(jié)果證明隨著螺栓連接界面表面粗糙度的增加，飽和現(xiàn)象變得不明顯。Huo等[49]基于分形接觸理論和有限元方法研究了螺栓連接界面上導波的時間反轉(zhuǎn)過程，其分析結(jié)果表明，時反檢測中飽和現(xiàn)象與重載荷下接觸微凸體的塑性變形有關(guān)。

2.3 時間反轉(zhuǎn)法與波能耗散法的對比

本節(jié)通過實驗對比了WED和TR方法的監(jiān)測精度，所采用的實驗裝置和試樣如圖9所示。被測的試件為鋁合金螺栓搭接結(jié)構(gòu)，鋁的材料為2024-T3，每根鋁板的長度為400mm，寬度為50mm，厚度為2mm。兩根鋁板用M6螺栓連接。實驗中選擇10N·m預緊力為正常扭矩，并采用分辨率為0.2N·m的扭矩扳手施加螺栓預緊力。實驗時，將試件放在泡沫支撐上以模擬自由邊界條件。兩個PZT貼片黏在螺栓搭接部兩側(cè)，與螺栓間的距離均為100mm，其編號分別為PZT 1、PZT 2。實驗中利用NI USB-6366數(shù)據(jù)采集(DAQ)系統(tǒng)生成波形激勵并記錄壓電傳感器的相應，其每個通道采樣頻率為2MHz。在LabVIEW環(huán)境中編制了一個數(shù)據(jù)采集程序來進行信號激勵及數(shù)據(jù)采集。高壓放大器PINTEK HA-400用于放大激勵信號并向PZT傳感器提供電壓。

圖9 實驗裝置和試件Fig.9 Experimental setup and specimens

實驗中同時采用WED和TR方法檢測螺栓預緊力，在WED方法中，在接收信號中選取特定的長度計算其能量作為擰緊指數(shù)TI_Ω(WED)，結(jié)果如圖10(a)所示。 從圖中可以看出，在扭矩為6N·m前擰緊指數(shù)基本隨著扭矩的增加而增加，但是在2N·m～6N·m時，其變化并不明顯，同時可以看到一個明顯的飽和現(xiàn)象，只有最小的0.1N·m扭矩情況可以被非常清晰地識別。在TR方法中，利用重聚焦信號的峰值作為擰緊指數(shù)TI_Ω(TR)，結(jié)果如圖10(b)所示。 從圖中可以看出，在全部檢測范圍內(nèi)，擰緊指數(shù)隨著預緊力的增加而增加，但是在6N·m～10N·m之間，其變化并不明顯，而在6N·m之前可以明確地識別出各個扭矩，這表明采用TI_Ω(TR)時其的靈敏度高于TI_Ω(WED)，特別是在螺栓松動的早期階段。其主要原因是，采用TR方法時，導波通過連接界面了兩次(從PZT1到PZT2，然后是PZT2到PZT1)，界面特性會兩次影響波的傳播，從而使TI_Ω(TR)對螺栓預緊力更敏感[14]。

(a)TI_Ω(WED)指標隨著扭矩的變化

(b)TI_Ω(TR)指標隨著扭矩的變化圖10 WED和TR方法的檢測結(jié)果Fig.10 Results of the WED based approach and the TR method

3 基于非線性特征的監(jiān)測技術(shù)

3.1 接觸聲學非線性(CAN)

由于連接界面的存在，隨著預緊力的降低，接觸聲學非線性(CAN)會隨之增加，所以目前學者已經(jīng)將由CAN引起的二次諧波、次諧波和邊頻帶用于螺栓預緊力檢測。通常二次諧波和次諧波由單個頻頻率激勵產(chǎn)生，此時可以利用二次諧波或次諧波的幅值與激勵頻率的幅值之間的比值，作為評估螺栓預緊力擰緊指標。而邊頻帶則同時需要低頻和高頻信號激勵產(chǎn)生，此時其擰緊指數(shù)一般利用兩個邊頻帶幅值的平均值與高頻激勵頻率的幅值之間的差值作為擰緊指標[31]。Zhang等[23]提出了螺栓連接結(jié)構(gòu)次諧波的激勵方法，并在此基礎(chǔ)上提出了螺栓松動檢測方法。Amerini等[31]分別建立了2階諧波指數(shù)和邊頻帶指數(shù)來評估螺栓結(jié)構(gòu)的擰緊狀態(tài)。隨后，Zhang等[21-22]提出了基于振動聲學調(diào)制(VAM)的方法，并利用基于邊頻帶的擰緊指數(shù)對為金屬和復合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)進行了預緊力檢測，圖11(a)為復合材料螺栓連接預緊力的實驗裝置，以及相應的檢測結(jié)果。

(a)實驗裝置

(b)VAM與WED結(jié)果對比[21]圖11 基于VAM的復合材料螺栓連接預緊力監(jiān)測Fig.11 Preload monitoring of bolted composite joint using VAM method

將其檢測結(jié)果與WED方法進行了對比，如圖11(b)所示，比較結(jié)果表明其所采用的非線性方法的測量靈敏度高于WED方法，特別是在松動初期，此時WED方法由于飽和現(xiàn)象無法實現(xiàn)松動檢測，但是圖中結(jié)果也顯示非線性方法存在一定的飽和現(xiàn)象。隨后，Zhang等[20]將基于高次諧波和邊頻帶的螺栓預緊力檢測方法進行了對比，證明了基于邊頻帶的檢測方法穩(wěn)定性較好。另一方面，邊頻帶也可以通過沖擊調(diào)制產(chǎn)生，Meyer等[50]提出了一種基于沖擊調(diào)制的方法來檢測鋁螺栓連接部中的螺栓松動。然而利用該方法時，邊頻帶幅值對于測試參數(shù)(包括沖擊激勵的振幅和位置)，檢測傳感器的位置等都較為敏感。基于邊頻帶方法的另外一個的缺點是，它需要兩個不同類型的激勵器和傳感器來監(jiān)測單個螺栓的預緊力[31]。

3.2 相位變化

除了導波透射能量、CAN之外，透射導波的相移變化也用于螺栓預緊力檢測。Zagrai等[51]提出通過測量穿過螺栓連接處的導波相位延遲來估計螺栓扭矩，其實驗結(jié)果表明，螺栓扭矩與導波信號的相移成正比，如圖12所示。

(a)信號整體

(b)局部放大圖12 不同扭矩下的導波信號Fig.12 Guided wave signals recorded at different bolt torques

Zagrai等[51]試圖用聲彈理論來解釋上述實驗結(jié)果，并提出了一種簡化的理論方法來計算通過螺栓連接處導波的相移，然而其理論結(jié)果與實驗結(jié)果相比低了一個數(shù)量級。隨后，Doyle等[52-53]進一步利用稀疏分布的壓電傳感器陣列對包含49個螺栓的典型衛(wèi)星面板進行了檢測，結(jié)果表明，導波相位變化發(fā)生的時間與松動螺栓的位置和導波主傳播路徑之間的距離有關(guān)。因此，僅使用2條或3條導波傳播路徑就可以實現(xiàn)松動螺紋及其位置的檢測[53]。在此基礎(chǔ)上，Zagrai等[54]試圖采用具有不同初始相位的導波信號來實現(xiàn)螺栓松動的無參考信號檢測。但該方法不適用于具有復雜幾何形狀和大量螺栓的結(jié)構(gòu)。然而由螺栓連接引起的導波相移變化相當小，需要采用具有高采樣頻率的數(shù)據(jù)采集設(shè)備[52]，同時由于接收到的導波信號非常復雜，因此很難選擇正確的時間窗和相應的波速來計算相移和導波路徑與松動螺栓間的距離。

3.3 混沌超聲激勵

除了利用上述接觸聲學非線性、聲彈等螺栓連接部的非線性特征外，另一個研究思路是直接使用非線性超聲激勵，此時通過在超聲波激勵信號中人為引入非線性分量可以靈敏地檢測到螺栓松動導致的結(jié)構(gòu)參數(shù)改變，也能有效克服由于壓電元件的激勵幅值較小，很難激起結(jié)構(gòu)本身的非線性的缺點。為此，Clayton等[24]提出了一種將混沌激勵和超聲導波相結(jié)合的螺栓預緊力監(jiān)測方法。該方法通過對混沌振動信號進行升頻調(diào)制，生成具有混沌特性的超聲信號激勵待測結(jié)構(gòu)，對響應信號進行重構(gòu)相空間分析，提取表征螺栓松動的非線性特征量。雖然大多數(shù)著名的混沌系統(tǒng)產(chǎn)生的混沌信號不適合用于激勵導波，但通過升頻調(diào)制，混沌信號從低頻變?yōu)槌曨l帶，而超聲頻率較高對小量級損傷較為敏感。 Fasel等[55-56]使用了類似的方法在單螺栓和多螺栓結(jié)構(gòu)中識別螺栓預緊力變化。最近，吳冠南等[57]將用于表征吸引子的整體特征和局部特征的Lyapunov維數(shù)和平均吸引子局部方差比ALAVR都作為螺栓擰緊指數(shù)，以識別螺栓預緊力。實驗對比結(jié)果表明，ALAVR更適合螺栓預載荷監(jiān)測，對比結(jié)果如圖13所示。

(a)Lyapunov維數(shù)

(b)ALAVR圖13 不同螺栓預緊力工況下的特征量[57]Fig.13 Tightness indexes VS bolt preload[57]

4 結(jié)論

超聲導波是螺栓預緊力監(jiān)測的有效方法，本文對該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進行了綜述。目前該領(lǐng)域已經(jīng)取得了相當大的進展。由螺栓連接部引入到導波信號的線性和非線性特征均已用于螺栓預緊力監(jiān)測。其中，透射導波能量作為線性特征目前最為廣泛地用于單螺栓和多螺栓結(jié)構(gòu)中的預緊力監(jiān)測。為此本文將利用上述特征進行檢測的波能耗散法(WED)與時間反轉(zhuǎn)法(TR)進行了實驗對比，結(jié)果表明TR方法比螺栓松動方法對螺栓松動更敏感。同時本文也回顧了多種基于非線性特征的檢測方法，包括接觸聲學非線性、聲彈導致的相移以及混沌超聲檢測，上述方法可以在一定程度上提高檢測靈敏度，但是也存在不同的缺點，比如更高頻的采樣頻率，或者同時需要聲學和振動激勵。今后亟待解決的問題如下：

1)應進一步發(fā)展準確高效的分析方法，以精確模擬螺栓連接部中導波的傳播。例如，目前認為聲彈導致了透射導波信號相位的變化，而目前簡化的理論模型并不能解釋信號相位變化，同時現(xiàn)在有限元模型中很難考慮連接接觸面上的表面形貌。因此，建立更精準高效的數(shù)值模型有望更準確地解釋連接界面和導波之間的相互作用，解釋上述實驗現(xiàn)象。

2)仍需要改進螺栓預緊力導波監(jiān)測方法。雖然目前時間反轉(zhuǎn)法和振動聲調(diào)制等方法可以有效提高螺栓預緊力的檢測靈敏度，但在螺栓松動的早期階段，這些方法的檢測靈敏度并不是很好。 另一方面，目前幾乎所有的方法都需要從健康結(jié)構(gòu)中獲取參考信號。因此，如何建立檢測靈敏度較高的無參考信號方法，是實現(xiàn)導波螺栓預緊力監(jiān)測工程應用的重要步驟。

3)應進一步發(fā)展多螺栓連接結(jié)構(gòu)中預緊力導波監(jiān)測方法?，F(xiàn)有文獻中的研究僅限于含單螺栓的搭接平板結(jié)構(gòu)，而對于多螺栓或者復雜結(jié)構(gòu)關(guān)注較少，缺乏多螺栓等結(jié)構(gòu)的預緊力監(jiān)測方法，然而這些結(jié)構(gòu)在工程中更為常見。

4)進一步發(fā)展復雜多物理場耦合條件的預緊力監(jiān)測方法和驗證。現(xiàn)有文獻中的研究大多未考慮溫度、電磁等復雜多物理場環(huán)境的影響，技術(shù)驗證多在實驗室條件下進行。為進一步推動該技術(shù)的工程應用，應著力發(fā)展多物理場和服役環(huán)境條件下的預緊力監(jiān)測，并在飛行器型號上進行前沿技術(shù)驗證研究。