本發(fā)明屬于無(wú)損檢測(cè)，尤其涉及一種基于變分模態(tài)分解的螺栓松動(dòng)全周期聲發(fā)射監(jiān)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

1、螺栓連接是機(jī)械結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用的一種緊固方式，廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、橋梁建筑等領(lǐng)域。螺栓的松動(dòng)不僅會(huì)導(dǎo)致連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度下降，還可能引發(fā)嚴(yán)重的安全隱患，甚至導(dǎo)致災(zāi)難性事故。因此，對(duì)螺栓松動(dòng)進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和預(yù)警顯得尤為重要。傳統(tǒng)的螺栓松動(dòng)檢測(cè)方法主要包括扭矩檢測(cè)、超聲波檢測(cè)和應(yīng)力波檢測(cè)等。然而，這些方法在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性，如檢測(cè)靈敏度不高、操作復(fù)雜、難以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)等。近年來(lái)，聲發(fā)射(acoustic?emission,ae)技術(shù)由于其靈敏度高、能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，成為螺栓松動(dòng)檢測(cè)的重要手段。聲發(fā)射技術(shù)通過(guò)捕捉材料內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展、摩擦滑移等過(guò)程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，能夠及時(shí)反映螺栓松動(dòng)的狀態(tài)。然而，聲發(fā)射信號(hào)通常具有非線性、非平穩(wěn)特性，且受噪聲和其他外部干擾影響較大，傳統(tǒng)的信號(hào)處理方法難以準(zhǔn)確提取與螺栓松動(dòng)相關(guān)的特征信息。因此，亟需提出一種基于變分模態(tài)分解的螺栓松動(dòng)全周期聲發(fā)射監(jiān)測(cè)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于變分模態(tài)分解的螺栓松動(dòng)全周期聲發(fā)射監(jiān)測(cè)方法，通過(guò)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行變分模態(tài)分解，提取出反映螺栓松動(dòng)狀態(tài)的特征模態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓松動(dòng)全過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，從而提高螺栓連接結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于變分模態(tài)分解的螺栓松動(dòng)全周期聲發(fā)射監(jiān)測(cè)方法，包括：

3、采集若干個(gè)等級(jí)預(yù)緊力下螺栓連接界面的聲發(fā)射信號(hào)；

4、對(duì)所述聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行變分模態(tài)預(yù)分解，按照不同分解層數(shù)進(jìn)行變分模態(tài)預(yù)分解，計(jì)算不同分解層數(shù)對(duì)應(yīng)的分解模態(tài)能量，根據(jù)不同分解層數(shù)對(duì)應(yīng)的分解模態(tài)能量計(jì)算分解模態(tài)能量差異率，利用所述分解模態(tài)能量差異率確定最佳分解層數(shù)；

5、基于所述最佳分解層數(shù)，對(duì)采集的所有聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行變分模態(tài)分解，獲得若干個(gè)本征模態(tài)函數(shù)；

6、通過(guò)計(jì)算每個(gè)本征模態(tài)函數(shù)的能量值，建立每個(gè)本征模態(tài)函數(shù)的能量值與不同等級(jí)預(yù)緊力的變化關(guān)系，篩選出與預(yù)緊力變化最敏感的特征模態(tài)；

7、建立篩選出的特征模態(tài)能量與預(yù)緊力的映射關(guān)系，獲得松動(dòng)變化曲線，根據(jù)所述松動(dòng)變化曲線將螺栓松動(dòng)過(guò)程劃分為不同階段，實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓松動(dòng)全周期的定量監(jiān)測(cè)。

8、可選的，所述若干個(gè)等級(jí)預(yù)緊力滿足等級(jí)個(gè)數(shù)大于等于8。

9、可選的，所述分解模態(tài)能量差異率中能量表示為：

10、

11、其中，e表示信號(hào)的能量，x(i)表示采集的信號(hào)序列，n表示采樣點(diǎn)的數(shù)量，i為信號(hào)序列中第i個(gè)采樣點(diǎn)。

12、可選的，所述分解模態(tài)能量差異率表示為：

13、

14、其中，η表示分解模態(tài)能量差異率，ek表示分解層數(shù)k得到的所有k個(gè)分量的能量之和，ek-1表示分解層數(shù)k-1得到的所有k-1個(gè)分量的能量之和。

15、可選的，利用所述分解模態(tài)能量差異率確定最佳分解層數(shù)包括：

16、步驟s1、初始化分解層數(shù)，設(shè)定分解層數(shù)值，確定分解層數(shù)的搜索范圍，設(shè)置步長(zhǎng)，對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行變分模態(tài)分解，對(duì)于設(shè)定的分解層數(shù)值，計(jì)算分解的每個(gè)本征模態(tài)函數(shù)的能量，并計(jì)算所有本征模態(tài)函數(shù)能量之和；

17、步驟s2、將分解層數(shù)增加1，并繼續(xù)步驟s1，直到搜索范圍最大值，進(jìn)行步驟s3；

18、步驟s3、比較分解層數(shù)值對(duì)應(yīng)的分解模態(tài)能量差異率，分解模態(tài)能量差異率最大值所對(duì)應(yīng)的分解層數(shù)值，確定最佳分解層數(shù)。

19、可選的，對(duì)采集的所有聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行變分模態(tài)分解，獲得若干個(gè)本征模態(tài)函數(shù)包括：

20、步驟一、參數(shù)初始化，在執(zhí)行變分模態(tài)分解之前，設(shè)定所需的參數(shù)，包括最佳分解層數(shù)k、懲罰參數(shù)α和收斂條件ε；

21、步驟二、初始化本征模態(tài)函數(shù)uk(t)和頻率中心ωk；

22、步驟三、迭代優(yōu)化，利用拉格朗日乘子法構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)，并通過(guò)對(duì)各個(gè)本征模態(tài)函數(shù)進(jìn)行帶通濾波，計(jì)算每個(gè)本征模態(tài)函數(shù)uk(t)；對(duì)每個(gè)本征模態(tài)函數(shù)更新其對(duì)應(yīng)的頻率中心ωk，確保每個(gè)模態(tài)聚集在其特定的頻帶內(nèi)；更新拉格朗日乘子以確保信號(hào)的重構(gòu)精度，減小分解誤差；

23、步驟四、收斂判定，重復(fù)步驟三中的迭代過(guò)程，直到達(dá)到收斂條件?？蛇x的，計(jì)算每個(gè)本征模態(tài)函數(shù)的能量值的方法包括：

24、對(duì)每個(gè)本征模態(tài)函數(shù)imfk(t)，將其進(jìn)行平方運(yùn)算，計(jì)算瞬時(shí)能量ek(t)＝imfk(t)2，對(duì)每個(gè)本征模態(tài)函數(shù)的瞬時(shí)能量ek(t)進(jìn)行時(shí)間積分，獲得該模態(tài)函數(shù)在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)的總能量值ek，公式為：

25、

26、其中，t為信號(hào)的總時(shí)長(zhǎng)。

27、可選的，建立每個(gè)本征模態(tài)函數(shù)的能量值與不同等級(jí)預(yù)緊力的變化關(guān)系，篩選出與預(yù)緊力變化最敏感的特征模態(tài)包括：

28、對(duì)于每個(gè)本征模態(tài)函數(shù)，建立其能量值ek隨預(yù)緊力f變化的關(guān)系曲線，公式如下：

29、ek＝f(f)

30、繪制每個(gè)本征模態(tài)函數(shù)的能量隨預(yù)緊力變化的關(guān)系圖；比較不同本征模態(tài)函數(shù)的能量曲線，分析能量值隨預(yù)緊力變化的幅度，選擇能量隨預(yù)緊力變化幅度較大且能夠單調(diào)指示預(yù)緊力變化的本征模態(tài)函數(shù)作為特征模態(tài)。

31、可選的，建立篩選出的特征模態(tài)能量與預(yù)緊力的映射關(guān)系，獲得松動(dòng)變化曲線包括：

32、使用多項(xiàng)式擬合或指數(shù)、對(duì)數(shù)或線性回歸曲線擬合方法擬合特征模態(tài)能量e特征和預(yù)緊力f之間的關(guān)系。

33、可選的，根據(jù)所述松動(dòng)變化曲線將螺栓松動(dòng)過(guò)程劃分為不同階段包括：

34、根據(jù)所述松動(dòng)變化曲線的斜率特征將螺栓松動(dòng)過(guò)程劃分為不同階段。

35、本發(fā)明技術(shù)效果：本發(fā)明公開了一種基于變分模態(tài)分解的螺栓松動(dòng)全周期聲發(fā)射監(jiān)測(cè)方法，通過(guò)結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)與變分模態(tài)分解方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)螺栓松動(dòng)全周期的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。利用變分模態(tài)分解對(duì)復(fù)雜的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分解和特征提取，有效減少了噪聲和外部干擾的影響，從而提高了信號(hào)處理的精度和穩(wěn)定性。該方法能夠監(jiān)測(cè)螺栓在不同松動(dòng)階段的狀態(tài)，為螺栓連接結(jié)構(gòu)提供了全面的健康監(jiān)測(cè)，大大提升了螺栓連接的安全性和可靠性，降低了設(shè)備故障和事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)保障機(jī)械和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)特征：

1.一種基于變分模態(tài)分解的螺栓松動(dòng)全周期聲發(fā)射監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，包括：采集若干個(gè)等級(jí)預(yù)緊力下螺栓連接界面的聲發(fā)射信號(hào)；

2.如權(quán)利要求1所述的基于變分模態(tài)分解的螺栓松動(dòng)全周期聲發(fā)射監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述若干個(gè)等級(jí)預(yù)緊力滿足等級(jí)個(gè)數(shù)大于等于8。

3.如權(quán)利要求1所述的基于變分模態(tài)分解的螺栓松動(dòng)全周期聲發(fā)射監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述分解模態(tài)能量差異率中能量表示為：

4.如權(quán)利要求1所述的基于變分模態(tài)分解的螺栓松動(dòng)全周期聲發(fā)射監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述分解模態(tài)能量差異率表示為：

5.如權(quán)利要求1所述的基于變分模態(tài)分解的螺栓松動(dòng)全周期聲發(fā)射監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，利用所述分解模態(tài)能量差異率確定最佳分解層數(shù)包括：

6.如權(quán)利要求1所述的基于變分模態(tài)分解的螺栓松動(dòng)全周期聲發(fā)射監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，對(duì)采集的所有聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行變分模態(tài)分解，獲得若干個(gè)本征模態(tài)函數(shù)包括：

7.如權(quán)利要求1所述的基于變分模態(tài)分解的螺栓松動(dòng)全周期聲發(fā)射監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，計(jì)算每個(gè)本征模態(tài)函數(shù)的能量值的方法包括：

8.如權(quán)利要求1所述的基于變分模態(tài)分解的螺栓松動(dòng)全周期聲發(fā)射監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，建立每個(gè)本征模態(tài)函數(shù)的能量值與不同等級(jí)預(yù)緊力的變化關(guān)系，篩選出與預(yù)緊力變化最敏感的特征模態(tài)包括：

9.如權(quán)利要求1所述的基于變分模態(tài)分解的螺栓松動(dòng)全周期聲發(fā)射監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，建立篩選出的特征模態(tài)能量與預(yù)緊力的映射關(guān)系，獲得松動(dòng)變化曲線包括：

10.如權(quán)利要求1所述的基于變分模態(tài)分解的螺栓松動(dòng)全周期聲發(fā)射監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，根據(jù)所述松動(dòng)變化曲線將螺栓松動(dòng)過(guò)程劃分為不同階段包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于變分模態(tài)分解的螺栓松動(dòng)全周期聲發(fā)射監(jiān)測(cè)方法，涉及無(wú)損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，包括：采集若干等級(jí)預(yù)緊力下螺栓連接界面的聲發(fā)射信號(hào)；對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行變分模態(tài)預(yù)分解，利用分解模態(tài)能量差異率確定最佳分解層數(shù)；基于確定的最佳分解層數(shù)，對(duì)所有聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行變分模態(tài)分解，獲得若干本征模態(tài)函數(shù)；通過(guò)計(jì)算每個(gè)本征模態(tài)函數(shù)的能量值，建立每個(gè)本征模態(tài)函數(shù)的能量值與不同等級(jí)預(yù)緊力的變化關(guān)系，篩選出與預(yù)緊力變化最為敏感的特征模態(tài)；建立篩選出的特征模態(tài)能量與預(yù)緊力的映射關(guān)系，獲得松動(dòng)變化曲線，根據(jù)松動(dòng)變化曲線將螺栓松動(dòng)過(guò)程劃分為不同階段，實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓松動(dòng)全周期的定量監(jiān)測(cè)。本發(fā)明提升了螺栓連接結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。

技術(shù)研發(fā)人員：王孝然,張家寧,李澤宇,劉增華,李紅玉,王耀民
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2