螺栓连接结构健康监测问题的研究现状(一)

西北工业大学航天学院 徐超

航天器结构中螺栓连接数目众多。常用于单独螺栓预紧力监测的应变法、超声波法、射线法、红外线法等传统无损检测技术由于设备复杂、耗时且花费昂贵、专业技能要求高、在应用于结构开敞性不好的场合时还需对结构进行拆解等诸多缺点，无法用于对结构连接损伤的在线、实时监测^[2-3]。无损检测的另一类主要方法——基于振动分析的结构健康监测方法，它利用结构在外部激励下的动力响应信息，提取表征结构损伤或状态变化的特征参数，用以判断和评估结构的健康状况，一般不需要复杂设备的支持，无需对结构进行拆解，监测的对象通常为整体连接而非单独螺栓，监测范围大，灵敏度高，非常适合于对结构损伤进行在线、实时监测，正受到极大的关注^[4]。

螺栓连接是工程结构局部非线性和无源阻尼的主要来源。连接损伤必然会引起结构刚度、阻尼等动力学特征的改变。自然而然地，人们首先考虑采用结构的模态参数，如固有频率、模态振型、振型斜率等作为表征连接损伤的特征参数，并且这些参数已在大型土木工程结构的健康监测领域获得了成功应用^[5]。但是，正如M.D.Todd^[6]研究所指出，反映结构整体动力学特征的模态参数对连接损伤很不敏感，除非损伤演化至足以引起结构特征模态明显改变的程度。这是因为在工程结构服役的大多数时间内，连接损伤通常只发生在少数连接部位的少数螺栓上，具有明显的局部性特点；整体连接的紧固力下降不显著，损伤量级小，其根本不足以引起结构整体动力学特性的明显变化。因此，采用结构整体模态特性作为监测螺栓连接损伤的特征参数并不可行，且高频局部模态的激励和测量都还存在很大困难。因此，基于结构模态参数的健康监测方法对螺栓连接健康监测问题适用性差。此外，利用结构动力响应信息识别模态参数的过程，实际上隐含了对系统线性化的假设，忽略了连接结构非线性的本质，方法本身存在着先天不足。