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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2024-12-30 17:18
在工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，螺栓連接成為了鋼結(jié)構(gòu)中一種主要的連接方式，它不但具有受力和抗振性能好、連接剛度高和耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)，而且拆換方便。
盡管如此，在現(xiàn)實(shí)工程應(yīng)用場(chǎng)景下，由于振動(dòng)、沖擊、變載荷和溫差等不穩(wěn)定因素的影響，螺栓緊固件往往會(huì)發(fā)生松動(dòng)或疲勞失效的問題。
鑒于螺栓松動(dòng)不易被檢測(cè)到，并且一旦發(fā)生，可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故和經(jīng)濟(jì)損失，迫切需要對(duì)螺栓連接進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)。
在過去十年里，學(xué)者們已經(jīng)開發(fā)出多種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)，專注于檢測(cè)螺栓松動(dòng)這一關(guān)鍵問題。螺栓的松動(dòng)行為可以分為兩個(gè)階段：第一階段為材料松動(dòng)期，在此階段，由于材料的塑性變形導(dǎo)致螺栓的預(yù)緊力下降，螺栓與螺母之間并未發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；第二階段為結(jié)構(gòu)松動(dòng)期，在此階段，螺栓與螺母之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致預(yù)緊力明顯下降。
總而言之，當(dāng)螺栓的預(yù)緊力未超過國(guó)家規(guī)定的擰緊扭矩標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，螺栓處于緊固狀態(tài)；當(dāng)螺栓處于材料松動(dòng)期時(shí)，預(yù)緊力緩慢下降，表示螺栓處于早期松動(dòng)狀態(tài)；在螺栓處于結(jié)構(gòu)松動(dòng)期時(shí)，預(yù)緊力快速下降，表示螺栓已進(jìn)入中晚期松動(dòng)狀態(tài)。
螺栓連接松動(dòng)的監(jiān)檢測(cè)技術(shù)
基于聲彈性效應(yīng)、振動(dòng)、導(dǎo)波和機(jī)電阻抗的各種方法，已逐漸應(yīng)用于識(shí)別螺栓連接的松動(dòng)狀態(tài)。
基于聲彈性效應(yīng)的方法與基于振動(dòng)、導(dǎo)波和機(jī)電阻抗的方法在評(píng)估螺栓松動(dòng)時(shí)有所不同?；诼晱椥孕?yīng)的方法可以準(zhǔn)確測(cè)量螺栓預(yù)緊力，而基于振動(dòng)、導(dǎo)波法以及機(jī)電阻抗的方法是通過獲取螺栓連接處的響應(yīng)信號(hào)提取敏感的特征，分析敏感特征與預(yù)緊力的關(guān)系，進(jìn)而評(píng)估螺栓的松動(dòng)狀態(tài)。
進(jìn)一步將基于振動(dòng)、導(dǎo)波以及機(jī)電阻抗的方法與機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）算法結(jié)合，可以更加精確地對(duì)螺栓松動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
圖1 監(jiān)檢測(cè)方法與ML方法用于螺栓松動(dòng)監(jiān)檢測(cè)的結(jié)構(gòu)框圖
基于聲彈性效應(yīng)的方法
基于聲彈性效應(yīng)的方法是利用超聲波傳感器進(jìn)行螺栓預(yù)緊力的測(cè)量。當(dāng)螺栓軸向應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致螺栓長(zhǎng)度和超聲波傳播速度的變化，從而影響沿螺栓軸線的脈沖回波渡越時(shí)間。通過測(cè)量脈沖回波在無應(yīng)力和有應(yīng)力狀態(tài)下的渡越時(shí)間變化，可以準(zhǔn)確計(jì)算出與預(yù)緊力成正比的螺栓軸向應(yīng)力。
目前，利用超聲波測(cè)量預(yù)緊力的研究可分為單波法和雙波法兩類，取決于所使用的超聲波數(shù)量和類型。
1、單波法
單波法是一種僅使用一個(gè)橫波或縱波進(jìn)行預(yù)緊力測(cè)量的方法，其中縱波因其對(duì)預(yù)緊力變化更為敏感而被廣泛采用。圖2展示了單波法的檢測(cè)原理，該方法能夠精確測(cè)量施加預(yù)緊力和無應(yīng)力狀態(tài)下的渡越時(shí)間變化。
圖2 單波法檢測(cè)原理
當(dāng)使用單波法對(duì)螺栓預(yù)緊力進(jìn)行測(cè)量時(shí)，噪聲和耦合劑可能對(duì)渡越時(shí)間的測(cè)量造成影響，進(jìn)而導(dǎo)致無法精確測(cè)量螺栓預(yù)緊力。
使用單波法對(duì)螺栓預(yù)緊力進(jìn)行測(cè)量時(shí)，必須了解螺栓在無應(yīng)力狀態(tài)下橫波和縱波的波速。
2、雙波法
雙波法是一種同時(shí)利用縱波和橫波對(duì)螺栓預(yù)緊力進(jìn)行測(cè)量的方法，也被稱為L(zhǎng)-S方法。雙波法又可分為速度比率法和模態(tài)轉(zhuǎn)換法。速度比率法是通過橫波和縱波的速度比值確定預(yù)緊力的變化情況。模態(tài)轉(zhuǎn)換法則利用模態(tài)轉(zhuǎn)換的原理測(cè)量預(yù)緊力變化。
速度比率法能夠消除單波法測(cè)量因素的影響。模態(tài)轉(zhuǎn)換法相比于速度比率法的優(yōu)勢(shì)在于，能夠解決分別輸入橫波和縱波帶來的誤差影響。
聲彈性法具有高靈敏度的特點(diǎn)，但在評(píng)估螺栓松動(dòng)時(shí)需要使用高精度的采樣和檢測(cè)設(shè)備來測(cè)量參數(shù)的變化。大多數(shù)情況下，該方法只能用于單個(gè)螺栓的檢測(cè)，無法同時(shí)檢測(cè)多個(gè)螺栓，對(duì)于工程結(jié)構(gòu)中的多螺栓結(jié)構(gòu)，則只能進(jìn)行抽樣檢測(cè)。
基于振動(dòng)的方法
振動(dòng)技術(shù)是一種經(jīng)典的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷領(lǐng)域。在螺栓松動(dòng)監(jiān)測(cè)方面，基于振動(dòng)的方法主要依賴于從振動(dòng)數(shù)據(jù)中提取結(jié)構(gòu)在螺栓松動(dòng)前后的特征頻率變化、傳遞函數(shù)和功率譜等關(guān)鍵參數(shù)。通過分析這些參數(shù)的變化，可以對(duì)螺栓連接的狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的分析和判斷。
大多數(shù)學(xué)者采用接觸式振動(dòng)的方法來檢測(cè)螺栓的松動(dòng)，也有學(xué)者采用非接觸式激光激勵(lì)的方式來檢測(cè)多螺栓的松動(dòng)。
接觸式振動(dòng)方法評(píng)估螺栓松動(dòng)是基于結(jié)構(gòu)的固有特性，但由于結(jié)構(gòu)的固有頻率較高，激振器等設(shè)備難以激發(fā)結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)信息，因此常規(guī)的接觸式振動(dòng)方法應(yīng)用較少。
非接觸式振動(dòng)激勵(lì)方法相較于接觸式振動(dòng)方法具有高靈敏度的特點(diǎn)，但對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求較高，目前主要用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中評(píng)估螺栓松動(dòng)。如果要在工程結(jié)構(gòu)中采用此方法，則需要適當(dāng)?shù)脑O(shè)備來激勵(lì)結(jié)構(gòu)。
導(dǎo)波法
1、波能耗散方法
考慮到超聲導(dǎo)波透過螺栓連接界面的能量與界面接觸狀態(tài)之間的密切聯(lián)系，采用透射導(dǎo)波能量作為檢測(cè)螺栓松動(dòng)的指標(biāo)的方法受到了廣泛關(guān)注，這種方法通常被稱作波能耗散（WED）方法。
該方法的基本原理如圖3所示，方法的核心在于螺栓連接界面的接觸狀態(tài)直接影響導(dǎo)波的能量傳遞。因此，通過測(cè)量透過連接界面的導(dǎo)波能量的變化，可以有效評(píng)估螺栓的緊固狀態(tài)。當(dāng)螺栓連接界面上的波能量發(fā)生耗散時(shí)，這種能量損失可以作為螺栓連接狀態(tài)的反映。表1總結(jié)了用于螺栓松動(dòng)檢測(cè)的波能耗散方法。
圖3 波能耗散法檢測(cè)松動(dòng)的基本原理
表1 基于波能耗散法的螺栓松動(dòng)分類綜述
2、時(shí)間反轉(zhuǎn)方法
時(shí)間反轉(zhuǎn)（TR）理論揭示了一種現(xiàn)象：當(dāng)一個(gè)結(jié)構(gòu)中某點(diǎn)的輸出信號(hào)在時(shí)域中被反轉(zhuǎn)并重新傳輸回原激勵(lì)點(diǎn)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)在激勵(lì)點(diǎn)的重建。
TR技術(shù)被應(yīng)用于螺栓松動(dòng)檢測(cè)的過程和原理如圖4所示。以單搭螺栓為例，首先在激勵(lì)點(diǎn)產(chǎn)生輸入脈沖信號(hào)，然后通過螺栓連接的機(jī)械系統(tǒng)傳播。接著，在記錄點(diǎn)處獲取響應(yīng)信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行時(shí)域反轉(zhuǎn)處理。最后，將這一反轉(zhuǎn)信號(hào)重新傳輸回激勵(lì)點(diǎn)，并在激勵(lì)點(diǎn)處獲取并重構(gòu)原始信號(hào)。
圖4 時(shí)間反轉(zhuǎn)法檢測(cè)松動(dòng)的基本原理
研究表明，時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)被運(yùn)用于信號(hào)處理之中，通過反轉(zhuǎn)信號(hào)的傳播路徑和時(shí)間延遲，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓松動(dòng)狀態(tài)的有效監(jiān)測(cè)。但是，時(shí)間反轉(zhuǎn)法在每次檢測(cè)時(shí)需要對(duì)信號(hào)在時(shí)域上進(jìn)行反轉(zhuǎn)，這一過程較為復(fù)雜。
為此，研究人員對(duì)時(shí)間反轉(zhuǎn)法進(jìn)行了修改，提出了虛擬時(shí)間反轉(zhuǎn)（VTR）方法用于松動(dòng)檢測(cè)。在虛擬時(shí)間反轉(zhuǎn)法中，僅在健康狀態(tài)下對(duì)響應(yīng)信號(hào)執(zhí)行一次時(shí)間反轉(zhuǎn)。虛擬時(shí)間反轉(zhuǎn)法檢測(cè)螺栓松動(dòng)的過程如圖5所示。
圖5 虛擬時(shí)間法螺栓松動(dòng)檢測(cè)過程
在健康狀態(tài)下，產(chǎn)生在激勵(lì)點(diǎn)的輸入脈沖信號(hào)被施加到螺栓連接結(jié)構(gòu)上。接收點(diǎn)處的傳感器收集響應(yīng)信號(hào)，隨后在時(shí)間域中反轉(zhuǎn)響應(yīng)信號(hào)。在健康狀態(tài)下獲得的反轉(zhuǎn)信號(hào)被記錄為參考重發(fā)射信號(hào)（RRS）。在激勵(lì)點(diǎn)處的參考重發(fā)射信號(hào)將被輸入到具有不同松動(dòng)狀態(tài)的相同結(jié)構(gòu)中。最后，可以使用重建信號(hào)的幅值來表示松動(dòng)狀態(tài)。
除此之外，Xu等采用改進(jìn)的時(shí)間反轉(zhuǎn)（MTR）方法，也可被稱為VTR方法，用于檢測(cè)和定位多螺栓連接結(jié)構(gòu)中松動(dòng)的螺栓。該技術(shù)利用健康狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)重發(fā)射信號(hào)（SRS）來檢測(cè)螺栓連接中的松動(dòng)情況，提取聚焦信號(hào)的相位偏移和峰值幅度，并定義基于相位移和峰值幅度的緊密度指標(biāo)，以區(qū)分螺栓松動(dòng)程度。
研究證明了MTR方法相對(duì)于WED和TR方法的有效性，且該方法具有更高的敏感性。然而上述研究都考慮了螺栓搭接結(jié)構(gòu)，而在現(xiàn)實(shí)中L形螺栓連接更為普遍。為此， Du等使用虛擬時(shí)間反轉(zhuǎn)方法來監(jiān)測(cè)L型螺栓連接中單螺栓和多螺栓連接結(jié)構(gòu)的螺栓松動(dòng)。該方法涉及在完全緊固的狀態(tài)下從螺栓結(jié)構(gòu)中提取參考重發(fā)射信號(hào)，然后將其用作處于松動(dòng)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)的激發(fā)信號(hào)。
采用Xu等定義的基于峰值振幅的松緊度指數(shù)TIA來觀察連接處的健康狀況。TIA和螺栓預(yù)緊力之間的關(guān)系是線性的，與時(shí)間反轉(zhuǎn)法相比，檢測(cè)靈敏度得到了顯著的提高，尤其是在螺栓松動(dòng)的早期階段。
在上述研究的基礎(chǔ)上，Du等提出了一種基于虛擬時(shí)間反轉(zhuǎn)和密封指數(shù)的導(dǎo)波方法。通過定義兩個(gè)緊密度指標(biāo)來提高檢測(cè)靈敏度：1) 基于重聚焦波包和整個(gè)最終接收波信號(hào)的能量，表示為TIE；2) 基于輸入信號(hào)和聚焦信號(hào)之間的形狀變化，表示為TIL2。對(duì)于單螺栓和多螺栓裝配體，TIE的檢測(cè)能力都優(yōu)于TIL2。表2總結(jié)了用于螺栓松動(dòng)檢測(cè)的時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)。
表2 螺栓連接松動(dòng)檢測(cè)的時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)綜述
3、振動(dòng)聲調(diào)制方法
振動(dòng)聲調(diào)制（VAM）方法利用接觸聲學(xué)的非線性效應(yīng)，解決了檢測(cè)螺栓松動(dòng)時(shí)飽和效應(yīng)的挑戰(zhàn)。圖6詳細(xì)介紹了基于振動(dòng)聲調(diào)制方法的松動(dòng)檢測(cè)過程和原理。以單螺栓連接為例，產(chǎn)生兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)并輸入到結(jié)構(gòu)中：一個(gè)是低頻正弦振動(dòng)（泵浦振動(dòng)），另一個(gè)是高頻超聲波（探測(cè)波）。
圖6 基于振動(dòng)聲調(diào)制方法的松動(dòng)檢測(cè)流程及原理
在連接界面的微觀尺度上，許多凹凸體形成了粗糙的結(jié)構(gòu)。隨著接觸壓力的增加，界面的實(shí)際接觸面積也增加。低頻正弦振動(dòng)和高頻探測(cè)波穿過連接界面時(shí)，低頻泵送振動(dòng)會(huì)引起界面的”呼吸“效應(yīng)，即”不完整“的連接界面會(huì)產(chǎn)生”閉合“和”打開“的運(yùn)動(dòng)，從而調(diào)制高頻探測(cè)波的傳播特性。
同時(shí)，傳感器（通常為壓電陶瓷傳感器）捕獲非線性響應(yīng)信號(hào)。通過快速傅里葉變換處理響應(yīng)信號(hào)，可以獲得響應(yīng)譜，從而揭示兩個(gè)非線性特征，即LS和RS。預(yù)緊力降低導(dǎo)致實(shí)際接觸面積減小，接觸非線性增加，因此LS和RS的振幅相應(yīng)增加。因此，LS和RS的振幅可用于指示螺栓松動(dòng)的程度。LS和RS的變化趨勢(shì)可以有效地用于評(píng)估螺栓松動(dòng)程度，為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)防性維護(hù)提供了可靠的方法。
利用VAM的方法對(duì)螺栓松動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)可以分為3個(gè)步驟：
1) 將產(chǎn)生的高頻探測(cè)波和低頻泵激振動(dòng)輸入到螺栓連接的結(jié)構(gòu)中；
2) 從采集的調(diào)制響應(yīng)信號(hào)中提取敏感的松動(dòng)特征；
3) 建立松動(dòng)特征與預(yù)加載/擰緊扭矩之間的關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)螺栓連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)檢測(cè)。
第1步中，由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境不同，實(shí)驗(yàn)人員所采用的正弦信號(hào)頻率也有所不同。
第2步中，調(diào)制響應(yīng)信號(hào)通常由壓電陶瓷、加速度計(jì)和聲發(fā)射傳感器收集，第2步的難點(diǎn)在于從信號(hào)中提取敏感的松動(dòng)特征。
第3步中，建立松動(dòng)指標(biāo)和扭矩之間的關(guān)系是一個(gè)難點(diǎn)。大多數(shù)學(xué)者直接繪制了松動(dòng)指標(biāo)與擰緊力矩之間的關(guān)系曲線或直方圖，以實(shí)現(xiàn)松動(dòng)檢測(cè)，如圖7所示。還有一些學(xué)者則將松動(dòng)特征輸入到分類器中，例如隨機(jī)森林分類器和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過對(duì)分類器進(jìn)行訓(xùn)練來實(shí)現(xiàn)松動(dòng)檢測(cè)。
圖7 松動(dòng)特征與扭矩的關(guān)系
綜上所述，導(dǎo)波法在評(píng)估螺栓松動(dòng)時(shí)具有較高的靈敏度，但對(duì)螺栓早期松動(dòng)的評(píng)估不夠敏感。時(shí)間反轉(zhuǎn)法和振動(dòng)聲調(diào)制方法都需要使用健康結(jié)構(gòu)的信號(hào)作為參考信號(hào)，將螺栓松動(dòng)時(shí)的信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，以檢測(cè)螺栓預(yù)緊力的變化。表3總結(jié)了用于螺栓松動(dòng)監(jiān)測(cè)的VAM技術(shù)。
表3 基于VAM的螺栓松動(dòng)分類綜述
機(jī)電阻抗法
機(jī)電阻抗（EMI）法的基本概念是利用高頻振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的局部區(qū)域，以了解結(jié)構(gòu)阻抗的變化，從而指示松動(dòng)甚至早期松動(dòng)。這可以通過使用與結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗直接相關(guān)的壓電傳感器/致動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)。阻抗測(cè)量能夠提供有關(guān)變化參數(shù)的信息。當(dāng)螺栓連接結(jié)構(gòu)發(fā)生松動(dòng)時(shí), 機(jī)械阻抗會(huì)發(fā)生變化。
基于EMI的螺栓松動(dòng)檢測(cè)方法是將壓電陶瓷貼片結(jié)合在螺栓連接結(jié)構(gòu)上，并利用壓電材料的機(jī)電耦合特性。壓電陶瓷的電阻抗與螺栓連接結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗直接相關(guān)。通過使用阻抗分析儀測(cè)量電阻抗并將其與參考值進(jìn)行比較，可以確定螺栓松動(dòng)。圖8展示了基于EMI的松動(dòng)檢測(cè)過程。
圖8 基于機(jī)電阻抗的松動(dòng)檢測(cè)過程
利用EMI實(shí)現(xiàn)螺栓松動(dòng)檢測(cè)的步驟與其他檢測(cè)方法的步驟相似，具體可以總結(jié)為以下3點(diǎn)：
1) 將壓電陶瓷貼片粘貼到螺栓連接結(jié)構(gòu)，并將高頻掃描信號(hào)輸入到壓電陶瓷貼片中；
2) 利用阻抗分析儀得到阻抗信號(hào)并進(jìn)行分析，確定損傷敏感地帶和松動(dòng)特征；
3) 建立松動(dòng)特征和預(yù)緊力的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)松動(dòng)檢測(cè)。
在第1步中，研究人員開發(fā)了不同的壓電陶瓷貼片與螺栓連接結(jié)構(gòu)粘貼的方式。
在第2步中，關(guān)鍵技術(shù)問題是確定損傷敏感地帶和松動(dòng)特征。目前，用于表征螺栓松動(dòng)的各種損傷指標(biāo)包括互相關(guān)系數(shù)（CC）、平均絕對(duì)百分比偏差（MAPD）、均方根偏差（RMSD）、互相關(guān)偏差（CCD）和峰值頻移。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，RMSD和CCD能夠有效地反映螺栓松動(dòng)程度。RMSD對(duì)阻抗信號(hào)的振幅變化（即垂直位移）和頻率變化（即水平位移）敏感。而CCD則只對(duì)阻抗信號(hào)的頻率變化（即水平位移）敏感。
然而，用于檢測(cè)松動(dòng)的EMI容易受到溫度等環(huán)境因素的影響。近年來，隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的興起，學(xué)者將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入到EMI，對(duì)傳統(tǒng)EMI進(jìn)行了改進(jìn)。
總之，機(jī)電阻抗法用于檢測(cè)螺栓松動(dòng)時(shí)，需要設(shè)置傳感器陣列，這導(dǎo)致成本較高。為了降低成本，已有研究人員針對(duì)不同的螺栓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了便攜式檢測(cè)設(shè)備，但這方面的研究較少。表4對(duì)用于螺栓松動(dòng)檢測(cè)的EMI技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。
表4 機(jī)電阻抗技術(shù)在螺栓松動(dòng)檢測(cè)中的應(yīng)用概述
信號(hào)分析方法
要對(duì)螺栓松動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，關(guān)鍵在于將螺栓連接結(jié)構(gòu)的信號(hào)與螺栓預(yù)緊力相關(guān)聯(lián)，因此合適的信號(hào)分析方法必不可少。近年來，機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）在損傷檢測(cè)中的應(yīng)用顯著增加，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)等算法，這些算法逐步應(yīng)用到了螺栓松動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域。結(jié)合基于振動(dòng)的方法、導(dǎo)波法和壓電阻抗法，提取能夠反映螺栓松動(dòng)的參數(shù)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法對(duì)螺栓松動(dòng)進(jìn)行識(shí)別和量化。
1、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，也稱為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN），是目前比較流行的ML算法之一，包括反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等變體。典型的ANN至少包括3層：輸入層、隱藏層和輸出層，具體如圖9(a)所示。
圖9 ANN的圖形表示
ANN根據(jù)訓(xùn)練時(shí)傳播途徑的不同，可分為反向傳播和前向傳播。在反向傳播過程中，ANN模型調(diào)整其所有節(jié)點(diǎn)的權(quán)重以最小化誤差，直到滿足收斂條件，這種ANN被稱為反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BPNN）。此外，在前向傳播過程中，隱藏層節(jié)點(diǎn)考慮來自前面節(jié)點(diǎn)的加權(quán)和。隱藏層節(jié)點(diǎn)的輸出，即下一層節(jié)點(diǎn)的輸入，是使用激活函數(shù)計(jì)算的，輸出層節(jié)點(diǎn)將最終的加權(quán)總和進(jìn)行模型預(yù)測(cè)，然后使用損失函數(shù)比較預(yù)測(cè)值和實(shí)際值。在ANN訓(xùn)練完成后，測(cè)試數(shù)據(jù)再通過ANN進(jìn)行預(yù)測(cè)。這些類型的ANN被稱為前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
大多數(shù)ANN的預(yù)測(cè)具有未知的置信度，即無法確保預(yù)測(cè)的可信度，從而導(dǎo)致潛在的風(fēng)險(xiǎn)。貝葉斯統(tǒng)計(jì)可以通過將概率視為事件發(fā)生程度的度量來考慮ANN的不確定性。概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（PNN）是一種基于貝葉斯分類規(guī)則的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其使用Parzen窗概率密度進(jìn)行預(yù)測(cè)。PNN的結(jié)構(gòu)包括4個(gè)層次：輸入層、模式層、求和層和輸出層，如圖10所示。
圖10 PNN的層次模型
表5總結(jié)了利用BPNN和PNN對(duì)螺栓連接松動(dòng)程度進(jìn)行檢測(cè)的分類綜述。
表5 基于BPNN和PNN的螺栓松動(dòng)分類綜述
卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）是一種前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其架構(gòu)分為3層：卷積層、池化層和全連接層，如圖11所示。
圖11 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)示意圖
Zhang等使用相位運(yùn)動(dòng)估計(jì)方法結(jié)合CNN技術(shù)來檢測(cè)螺栓松動(dòng)。通過預(yù)處理（包括圖像縮放和標(biāo)準(zhǔn)化）將時(shí)頻圖像輸入CNN進(jìn)行訓(xùn)練，以識(shí)別螺栓連接結(jié)構(gòu)中的螺栓松動(dòng)位置和松動(dòng)狀態(tài)。這種方法解決了CNN在訓(xùn)練數(shù)據(jù)不足方面的問題，對(duì)于CNN在結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別中的應(yīng)用具有重要意義。
近年來，研究人員開始改進(jìn)CNN的結(jié)構(gòu)以提高其準(zhǔn)確性。表6介紹了文獻(xiàn)中用于檢測(cè)螺栓連接結(jié)構(gòu)松動(dòng)的各種CNN模型。
表6 用于監(jiān)測(cè)螺栓連接的CNN及其變體概述
目前，一些研究人員將基于視覺的方法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓松動(dòng)狀態(tài)的識(shí)別。因?yàn)榇蠖鄶?shù)建筑結(jié)構(gòu)采用螺栓進(jìn)行固定，其中一些位于人跡罕至的環(huán)境中。由于定期檢查這些螺栓連接結(jié)構(gòu)既困難又昂貴，因此，研究人員基于視覺的方法結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程松動(dòng)監(jiān)測(cè)。 表7總結(jié)了螺栓連接自主監(jiān)測(cè)的ML算法。
表7 自動(dòng)監(jiān)測(cè)螺栓連接的ML算法綜述
2、支持向量機(jī)
支持向量機(jī)（SVM）是一種應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)解決分類問題的ML算法。非線性映射函數(shù)可被應(yīng)用于線性SVM以解決非線性問題。用于線性和非線性分類的SVM在圖12中進(jìn)行了示意。
圖12 支持向量機(jī)的類型
將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與檢測(cè)方法結(jié)合，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以選擇復(fù)雜信號(hào)中與預(yù)緊力相關(guān)的特征參數(shù)，以此提高螺栓松動(dòng)檢測(cè)的準(zhǔn)確率。目前大多數(shù)研究都集中在單個(gè)螺栓結(jié)構(gòu)上，對(duì)于多螺栓結(jié)構(gòu)的研究相對(duì)較少。表8總結(jié)了用于螺栓松動(dòng)檢測(cè)的各種SVM方法。
表8 螺栓松動(dòng)檢測(cè)的SVM方法綜述
結(jié)論和展望
基于聲彈性效應(yīng)的方法具有靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，但評(píng)估螺栓松動(dòng)時(shí)需用高精度設(shè)備測(cè)量參數(shù)變化。而且此方法多用于單個(gè)螺栓檢測(cè)，無法同時(shí)檢測(cè)多個(gè)螺栓，對(duì)多螺栓結(jié)構(gòu)只能抽樣檢測(cè)；基于振動(dòng)的方法主要通過分析振動(dòng)數(shù)據(jù)中的特征頻率、傳遞函數(shù)和功率譜等變化來評(píng)估螺栓連接狀態(tài)，但對(duì)局部松動(dòng)敏感度低，常規(guī)的激振設(shè)備（如激振器或振動(dòng)篩）很難有效地激發(fā)結(jié)構(gòu)的某些固有模態(tài)信息；基于導(dǎo)波的方法能有效提高螺栓預(yù)緊力的檢測(cè)靈敏度，但在螺栓松動(dòng)的早期階段，這些方法的靈敏度仍有待提高；基于機(jī)電阻抗的監(jiān)測(cè)和辨識(shí)方法通過利用PZT激勵(lì)結(jié)構(gòu)和感知阻抗信息，能夠有效區(qū)分結(jié)構(gòu)連接狀態(tài)改變所引起的高頻段阻抗譜的變化。
然而，在實(shí)際應(yīng)用中，需要布置傳感器信號(hào)采集陣列，由于成本較高，難以推廣使用；將機(jī)器學(xué)習(xí)的信號(hào)處理方法和現(xiàn)有螺栓松動(dòng)監(jiān)檢測(cè)方法相結(jié)合，進(jìn)一步提高了螺栓松動(dòng)的檢測(cè)精度，但是多數(shù)是對(duì)單螺栓結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而對(duì)多螺栓松動(dòng)的監(jiān)測(cè)研究較少。
通過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的總結(jié)，螺栓松動(dòng)監(jiān)檢測(cè)技術(shù)在未來的發(fā)展中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
1、基于聲彈性效應(yīng)的方法在未來的研究中應(yīng)致力于開發(fā)能夠同時(shí)檢測(cè)多個(gè)螺栓的高精度設(shè)備，以提高多螺栓結(jié)構(gòu)檢測(cè)的效率和可靠性；
2、基于振動(dòng)的方法面臨缺乏合適設(shè)備來激勵(lì)結(jié)構(gòu)固有模態(tài)信息的問題。因此，改進(jìn)激振設(shè)備和方法，使其能夠有效激發(fā)結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)信息，將是提升檢測(cè)精度的關(guān)鍵；
3、基于導(dǎo)波的方法對(duì)螺栓早期松動(dòng)不敏感，未來的研究應(yīng)集中于增強(qiáng)導(dǎo)波技術(shù)在早期松動(dòng)檢測(cè)中的應(yīng)用效果，確保其在實(shí)際工程中的可行性和可靠性；
4、針對(duì)機(jī)電阻抗技術(shù)，未來研究應(yīng)著重于降低設(shè)備成本，同時(shí)保持高檢測(cè)精度，使該技術(shù)更具實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性；
5、機(jī)器學(xué)習(xí)算法結(jié)合傳統(tǒng)方法能夠更加精準(zhǔn)地識(shí)別螺栓松動(dòng)，但是大多數(shù)方法是對(duì)單螺栓結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，未來的研究應(yīng)擴(kuò)大至多螺栓結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)，以滿足復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的需求。
作者：龔搖裕1,2，唐國(guó)良2，王孝然3，劉增華3
工作單位：北京工業(yè)大學(xué) 1.材料科學(xué)與工程學(xué)院；2.機(jī)械與能源工程學(xué)院；3.信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院
來源：北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)
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來源：Internet
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