一种螺栓连接件振动声调制信号的热调控系统及热调控方法和计算机系统

本发明涉及仪器仪表、机械工程、建筑工程，特别涉及一种螺栓连接件振动声调制信号的热调控系统及热调控方法和计算机系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本技术相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

2、振动声调制信号一种非线性声学测量信号，该信号的调制及解耦特征被用作测量结构应力变化及裂纹发展等无损检测项目。在螺栓松动领域，该方法通过激励螺栓连接结构，生成低频振动波和高频探测波两种入射信号，并利用这些信号在结构中引起的非线性声学调制信号，来监测和识别螺栓的残余预紧力。当螺栓连接件松动时，在振动声调制激发下会产生明显的调制谐波。调制谐波与基波的幅值比（即非线性指数）通常被用作评估螺栓松动程度的指标。理论上，随着螺栓预紧力的增加，非线性指数会呈现下降趋势。

3、2018年，zhen zhang、menglong liu、yaozhong liao、zhongqing su、yi xiao著的“contact acoustic nonlinearity (can)-based continuous monitoring of boltloosening: hybrid use of high-order harmonics and spectral sidebands”（mechanical systems and signal processing, 2018, 103:280-294）基于弹性接触理论建立了振动声调制特征与螺栓松动之间的力学关系。研究表明，非线性指数随着螺栓残余转矩的下降而单调上升。然而，在螺栓早期松弛阶段，由于残余扭矩较高，振动声调制的非线性指数变化相对不敏感。

4、2021年，姜明顺、秦小舒、贾磊、张雷、张法业、隋青美、吕珊珊著的“基于非线性声调制碳纤维复合材料螺栓早期松动检测方法”（cn202110192614.4），通过扫频测试选取了最适合激励频率，提升了非线性响应强度和螺栓松动的早期识别效果。研究表明，振动声调制非线性特征在不同螺栓应力阶段表现出非单调变化特性，使结构应力测量过程中容易出现误判。

5、2024年，jianbin li, bo wen, zhen zhang, qian li, yi he, zhongqing su著的“interface behaviors of elastic-plastic waves and its impact onuncertainties in vibro-acoustic modulation (vam) for structural healthmonitoring (shm) of bolt loosening” （mechanical systems and signalprocessing, 2024, mechanical systems and signal processing, 212：111268）提出螺栓早期松弛阶段的弹塑性理论模型，解释了螺栓松动过程中调制信号非单调变化的原因。研究表明，螺栓连接件预紧力超过特定量值后，微观接触会发生塑性变形，特定高应力阶段和低应力阶段振动声调制的非线性响应均较中间应力阶段显著增强。

6、目前，尚缺乏主动控制在螺栓松动监测过程中由于振动声调制信号强度降低以及单调性改变引起灵敏度下降的有效手段。本发明期望提出振动声调制信号的热调控系统来改善主动调节调制信号强度及单调性，改善螺栓应力松动的测量灵敏度。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是要提出一种螺栓连接件振动声调制信号的热调控系统及热调控方法和计算机系统，针对振动声调制信号在螺栓早期松弛过程中的灵敏性降低的难题，通过引入接触声学热调制效应，使得用作损伤指标的振动声调制非线性指数与螺栓预紧力间的关联曲线发生改变，最终改善螺栓松动的振动声调制非单调行为，并提升其对残余扭矩变化监测的灵敏度。

2、为了解决以上的技术问题，本发明提出了一种螺栓连接件振动声调制信号的热调控系统及热调控方法和计算机系统，其理论依据的基础推导包括：

3、步骤1，螺栓连接件的残余扭矩n和其在接触面产生的法向接触压强 p表示为：

4、；

5、其中 τ为摩擦系数， d为螺栓直径， s为接触面积；

6、步骤2，通过引入热调控系统，装配接触压强 p外还增加热膨胀作用产生温度应力 p t，其压强变化为 p 0：；

7、被连接板及螺栓的热弹性变形为：；其中， α 1和 α 2是两个温度下的热膨胀系数， t 1和 t 0是不同温度， l是厚度；

8、进而引起的预紧力变化为 p t：；其中： k 1和 k 2 是螺栓及被连接板的材料刚度；

9、步骤3，建立基于接触刚度模型： ；其中： k 1 *是线性接触刚度， c是比例常数， m 0是初始粗糙系数， n是粗糙软化系数；

10、该模型通过引入“ -np 0”项来描述压力增长下界面的弹塑性软化效应，当 n=0时，退化为弹性的hertz接触模型，即： ；

11、步骤4，根据泰勒展开的定义，对线性接触刚度 k 1 *求导数得到非线性接触刚度：；

12、步骤5，将以上线性及非线性刚度表达式代入振动声调制的控制方程：；其中： m是质量， x是振动位移，是加速度， t是时间， φ是摄动参数， ω 1和 ω 2是两列激励信号的圆频率， a 1和 a 2是激励幅值；

13、步骤6，通过摄动法求得信号的解析解为：

14、；

15、；

16、；

17、；

18、其中， x lf是低频基波位移， x hf是高频基波位移，该两列信号属于线性分量； x ls和 x rs是左右边带位移，属于非线性分量； a lf是低频基波振幅， a hf是高频基波振幅，该两列信号属于线性分量； a ls和 a rs是左右边带振幅；

19、步骤7，通过非线性分量和线性分量的幅值之比来构建非线性指数 β：

20、；

21、由于接触刚度同时受螺栓预紧力 n及温度 t的影响，通过改变连接部位温度，即调控非线性指数 β，强化预紧力监测效果。

22、本发明所要解决的技术问题是要提供一种螺栓连接件振动声调制信号的热调控系统，包括：

23、温度监测模块：红外热像仪监控螺栓连接部位的温度；

24、热调控模块：在螺栓连接件粘贴具有发热功能的发热电阻片或用热风机对螺栓连接部位进行加热处理，控制连接部位的局部温度至不同工况下的目标值；

25、信号激励模块：双通道信号发生器输出两列持续的高频正弦波信号和低频正弦波信号；低频一列信号通过放大电路传输至粘接在被螺栓连接物件上的激振器，以引起螺栓连接件的低频振动；高频一列信号通过电路传输至粘接在被螺栓连接物件上的压电陶瓷促动器，以产生高频声波；

26、信号接收模块：信号激励模块输出的两列激励信号在螺栓连接件混合，并引起振动声调制信号后由粘在被螺栓连接物件表面的加速度传感器接收；

27、信号后处理模块：加速度传感器接收的信号经电路传输至示波器观测和储存，并导出进行频谱分析，通过调制谐波幅值比上低频基波与高频基波幅值建立非线性指数 β，利用非线性指数 β数值的相对大小，来代表螺栓松动的程度。

28、所述螺栓连接件振动声调制信号的热调控系统的热调控方法，步骤如下：

29、步骤s1：完成螺栓连接件的预紧装配；

30、步骤s11：根据工程设计的预紧力目标值，调整扭矩扳手的设定值，将扭矩扳手套在螺栓头上；

31、步骤s12：将两金属/复合材料连接件用螺栓连接，均匀用力顺时针旋转扭矩扳手，直至达到设定的预紧力目标值；检查螺栓，确保螺栓已达到预定的紧固扭矩；

32、步骤s2：改变螺栓连接部位的局部环境温度，以激发连接界面热调控效应；

33、步骤s21：将红外热像仪安装在正对螺栓1至3米范围处，清晰监控螺栓连接部位的温度；调整热像仪的焦距和角度，以获得最佳的温度监测效果；

34、步骤s22：根据设定的调控温度，选择加热设备，对螺栓连接部位进行均匀加热；实时监控红外热像仪的温度读数，逐步调整加热设备的功率和加热时间，确保局部温度达到设定的调控温度；

35、所述加热设备为发热电阻片，或为热风枪；将发热电阻片固定在螺栓连接部位对螺栓连接部位进行均匀加热，或使用热风枪对螺栓连接部位进行均匀加热；

36、步骤s23：持续监控螺栓连接部位的温度，确保温度稳定在设计调控范围内；发现温度偏离目标范围，立即调整加热设备，重新校准温度，记录红外热像仪的温度读数和加热设备的操作参数，保存所有相关数据，以备后续分析和验证；

37、步骤s3：开展热调控下的振动声调制信号监测，完成螺栓早期松动过程的健康监测；

38、步骤s31：双通道信号发生器输出两列持续的高频正弦波信号和低频的正弦波信号；其中，低频一列信号通过放大电路传输至粘接在金属/复合材料连接件上的激振器，以引起螺栓连接件的低频振动；高频一列信号通过电路传输至粘接在金属/复合材料连接件上的压电陶瓷促动器，以产生高频声波；

39、步骤s32：两列持续的高频正弦波信号和低频的正弦波信号在螺栓连接件混合并引起振动声调制信号后由粘在金属/复合材料连接件表面的加速度传感器接收；

40、步骤s33：加速度传感器接收的信号经电路传输至示波器观测和储存，并导出进行频谱分析，通过实测调制谐波幅值比上低频基波与高频基波幅值计算出非线性指数 β，公式如下：

41、；

42、非线性指数 β是非线性声学中常用的损伤判定指标：理论上，若螺栓连接件接触完好，则其非线性刚度 k 2 *将无限趋于0，对应 β约等于0；由于hertz接触刚度模型的指数特征，随着螺栓松动加剧或材料塑性累积， β将指数形式增大。

43、然而，由于hertz接触为指数变化，当不考虑温度影响而只考虑静力接触时， β随螺栓预紧力等额变化过程中并不发生等幅度改变，导致损伤监测结果将出现非敏感区间。此外，高应力状态易引发接触面塑性累积，使螺栓单调松动过程中 β出现非单调变化的现象，干扰检测人员的判断。

44、本发明还提供了一种计算机系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现所述调控螺栓连接件振动声调制信号的热调控方法的步骤。

45、因此，本发明提出考虑热效应的振动声调制理论，引入了温度 t作为对 β的新影响因素，通过人为控制连接界面局部温度变化，改变 β的变化幅度，使 β在特定扭矩变化区间仍然出现较大幅度的变化，且不出现非单调变化，最终，利用非线性指数 β数值的相对大小，来代表螺栓松动的程度。

46、本发明的有益效果在于：通过提出螺栓连接处局部的升温或降温地调控，改变螺栓连接区域的热弹塑性接触条件，实现对振动声调制响应信号特征调节的目的，具体为：

47、（1）调控非线性信号边带幅值，使常温下螺栓特定扭矩区间中的非线性指数 β出现敏感变化量增加2至3倍，进而提升螺栓松动的监控精度和可检性；

48、（2）增强或抑制非线性声源对的非线性调制行为的贡献比例，使常温下螺栓特定扭矩区间中的非线性指数 β只随着螺栓松动发生上升或只发生下降，抑制非单调波动现象；

49、（3）用于构建信号调控系统来增强振动声调制信号在土木、建筑、机械、航空等结构螺栓应力测量中的灵敏度。