基于超声导波的装配结构接触特性研究

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存在接触的装配形式广泛应用于机械结构中,例如高铁轮毂与轮轴间的过盈配合、燃气轮机拉杆转子的转子轮盘间的配合、螺栓配合等。该类配合形式由于具有承载能力高的特点,往往应用于结构中的关键部位,对于保证整体结构的稳定运行起着至关重要的作用。但是,该类配合形式对于接触状态具有较为严格的要求,往往需要预紧,并且预紧力必须保证在一个合理的范围内。所施加的预紧力过小或过大,都会对结构正常运转造成不良影响,然而目前对于轴类和盘类结构相互接触时接触特性的研究却很少。导波作为一种应力波,同时具有传播距离长、衰减率低、对结构微小损伤敏感的特点,因此若利用导波进行该类装配结构接触特性的研究,则具有重要的现实意义。本文从导波的基础理论出发,针对高铁轮毂轮轴间的过盈配合和转子轮盘间的配合,结合有限元仿真和实验研究的方法,分别对两类装配结构进行了接触特性研究。对于高铁轮轴,目前的研究多集中于单一轮轴上的损伤检测。本文首先研究过盈配合的存在和过盈量的大小对导波传播特性的影响,结果表明过盈配合的存在会降低导波信号幅值,且过盈量越大接收到的导波信号幅值越小。而后提出利用能量差方法检测存在配合的高铁轮轴上的疲劳损伤。研究发现,该方法在过盈配合存在的情况下仍然适用,并且过盈量越小则能量差越明显。通过研究为能量差方法应用于实际的高铁轮轴损伤检测奠定了基础。对于转子轮盘间的配合,本文从一对轮盘的接触出发,首先研究预紧力大小与导波能量的关系。研究表明,接收到的导波信号能量随着所施加预紧力的增加而增加,但是当预紧力达到一定值时,导波能量接近饱和值而不再增长。当轮盘数量增加时,仍然表现为同样的趋势,故可以利用导波能量变化进行轮盘装配预紧力的测量。最后针对轮盘预紧中易出现预紧力分布不均的情况,提出一种利用导波进行轮盘预紧力分布情况检测的方法,并且该方法在多轮盘接触时仍然适用。
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