تتشخیص تجربی و عددی شل‌شدگی اتصالات پیچی فلنجی به کمک روش مدولاسیون ویبروآکوستیک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 - دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

2 مهندسی مکانیک و انرژی، پردیس فنی و مهندسی شهید عباسپور، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران.

چکیده

پیچ‌ها اتصالاتی موقتی و پرکاربرد هستند که اگرچه به واسطه ویژگی‌های مثبت فراوان، در اغلب سازه‌های صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ اما به واسطه ماهیت عملکردی‌شان همواره در معرض خرابی و متعاقباً، آسیب‌رسانی به سازه یا تجهیز می‌باشند. از علل رایج خرابی سازه‌های صنعتی دارای اتصالات پیچی، شل‌شدگی پیچ‌ها می‌باشد که تشخیص به‌موقع آن می‌تواند سبب پیشگیری از تحمیل هزینه‌های سنگین مالی و بعضاً جانی گردد. روش‌های مرسوم تشخیص این عیب، معایب مختلفی دارند، به عنوان مثال روش‌های کنترل گشتاور اغلب دارای خطای بالا بوده، روش‌های مبتنی بر اندازه‌گیری امپدانس هزینه‌هایی بالا به همراه داشته و روش‌های ارتعاشی یا اولتراسونیک نیز به واسطه استفاده از پدیده‌هایی خطی در تشخیص خرابی، از دقت بالایی برخوردار نمی‌باشند. روش مدولاسیون ویبروآکوستیک یکی از روش‌هایی است که به کمک اندازه‌گیری شدت مدولاسیون سیگنال‌های ارتعاشی و اولتراسونیک اعمال‌شده به سازه، می‌تواند با دقت بسیار بالایی به تشخیص و ارزیابی شل‌شدگی اتصالات پیچی بپردازد. در این مقاله، با ساخت نمونه‌ی آزمایشگاهی یک پایه برج یک توربین بادی، کارایی روش در تحلیلی تجربی و عددی مورد بررسی قرار گرفته است و نشان داده شده است که این روش قادر به تشخیص وجود شل‌شدگی با دقتی 5/12 درصدی می‌باشد. علاوه بر این، تأثیر پارامترهایی همچون؛ فرکانس تحریک اولتراسونیک و ارتعاشی، محل قرارگیری حسگر و عملگر، شدت گشتاور اعمال‌شده به پیچ‌ها، تأثیر افزایش بیش از حد گشتاور بررسی‌شده و دقت روش در سازه‌ی مدنظر تخمین زده شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Experimental and Numerical Looseness Detection and Assessment in Flanged Joints Using Vibro-Acoustic Modulation Method

نویسندگان [English]

  • Seyed majid Yadavar nikravesh 1
  • Masoud Goudarzi 2
1 Associate Professor, Department of Mechanical Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran.
2 PhD Candidate, Department of Me-chanical Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran.
چکیده [English]

Flanged joints’ looseness is among the common causes for the failure of industrial structures with flanged joints the timely detection of which can prevent the imposition of heavy financial losses and in some cases injuries. There are conventional methods for detecting this fault and each of them has its drawbacks. For instance, torque control methods have a high error of measurement, impedance-based measurement methods; have high expenses, and vibration or ultrasonic methods lack accuracy due to the use of linear phenomena in fault detection. Vibro-Acoustic modulation method is one of the nonlinear fault detection methods that can detect and assess looseness of flanged joints with high precision through the measurement of the intensity of the vibrational and ultrasonic signals modulation applied to the structure. This paper was an attempt to investigate the efficiency of the Vibro-Acoustic modulation method in the detection and evaluation of flanged joints numerically and experimentally.  For this, a laboratory sample composed of two pipes connected with flanged joints is employed. It is revealed that this method can detect bolt looseness with 12.5% precision. Besides, the effect of parameters such as ultrasonic and vibrational frequency, the amplitude of applied torque, sensors and actuators position, as well as excessive increase of torque have been examined and the method precision in the studied structure has been estimated.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Structural health monitoring
  • Smart structures
  • Non-destructive test
  • Vibro-Acoustic Modulation
  • Bolted Joints
[1] S.M.Y. Nikravesh, M. Goudarzi, A review paper on looseness detection methods in bolted structures, Latin American Journal of Solids and Structures, 14(12) (2017) 2153-2176.
[2] S.M.Y. Nikravesh, Goudarzi M., Looseness Detection and Assessment of Flange Type Joints Using Vibro-Acoustic Modulation Method, Amirkabir Journal of Mechanical, (2019).
[3] V.Y. Zaitsev, A. Sutin, I.Y. Belyaeva, V. Nazarov, Nonlinear interaction of acoustical waves due to cracks and its possible usage for cracks detection, Modal Analysis, 1(3) (1995) 335-344.
[4] V. Zaitsev, P. Sas, M. Wevers, Nonlinear modulation methods of structural damage detection based on dissipative nonlinear effects, in:  Proceedings of the International Seminar on Modal Analysis, KU Leuven; 1998, 2001, pp. 233-242.
[5] V. Kazakov, A modulation crack-detection technique: I. Instrumental method of implementation, Russian Journal of Nondestructive Testing, 42(11) (2006) 709-716.
[6] J.H. Bickford, Introduction to the design and behavior of bolted joints: non-gasketed joints, CRC press, 2007.
[7] V. Caccese, R. Mewer, S.S. Vel, Detection of bolt load loss in hybrid composite/metal bolted connections, Engineering Structures, 26(7) (2004) 895-906.
[8] T. Wang, G. Song, Z. Wang, Y. Li, Proof-of-concept study of monitoring bolt connection status using a piezoelectric based active sensing method, Smart Materials and Structures, 22(8) (2013) 087001.
[9] J. Bickford, Handbook of bolts and bolted joints, CRC press, 1998.
[10] P. Duffour, M. Morbidini, P. Cawley, A study of the vibro-acoustic modulation technique for the detection of cracks in metals, The Journal of the Acoustical Society of America, 119(3) (2006) 1463-1475.
[11] C.R. Courtney, B.W. Drinkwater, S.A. Neild, P.D. Wilcox, Factors affecting the ultrasonic intermodulation crack detection technique using bispectral analysis, NDT & E International, 41(3) (2008) 223-234.
[12] N.C. Yoder, D.E. Adams, Vibro-acoustic modulation utilizing a swept probing signal for robust crack detection, Structural Health Monitoring, 9(3) (2010) 257-267.
[13] A. Klepka, W.J. Staszewski, R. Jenal, M. Szwedo, J. Iwaniec, T. Uhl, Nonlinear acoustics for fatigue crack detection–experimental investigations of vibro-acoustic wave modulations, Structural Health Monitoring, 11(2) (2012) 197-211.
[14] D. Donskoy, A. Sutin, A. Ekimov, Nonlinear acoustic interaction on contact interfaces and its use for nondestructive testing, Ndt & E International, 34(4) (2001) 231-238.
[15] N.A. Chrysochoidis, A.K. Barouni, D.A. Saravanos, Delamination detection in composites using wave modulation spectroscopy with a novel active nonlinear acousto-ultrasonic piezoelectric sensor, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 22(18) (2011) 2193-2206.
[16] F.A. A. Klepka, W. J. Staszewski, T. Uhl, , Nonlinear vibro-Acoustic wave modulation for impact damage detection in composites, Structural Health Monitoring, 11(1) (2012) 197-211.
[17] A. Klepka, W.J. Staszewski, D. Di Maio, F. Scarpa, Impact damage detection in composite chiral sandwich panels using nonlinear vibro-acoustic modulations, Smart Materials and Structures, 22(8) (2013) 084011.
[18] N.A. Chrysochoidis, T.T. Assimakopoulou, D.A. Saravanos, Nonlinear wave structural health monitoring method using an active nonlinear piezoceramic sensor for matrix cracking detection in composites, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 26(15) (2015) 2108-2120.
[19] S. Kim, D. Adams, H. Sohn, G. Rodriguez-Rivera, J. Vitek, S. Carr, A. Grama, Validation of vibroacoustic modulation of wind turbine blades for structural health monitoring using operational vibration as a pumping signal, in:  9th International Workshop on Structural Heath Monitoring, 2013.
[20] F. Amerini, M. Meo, Structural health monitoring of bolted joints using linear and nonlinear acoustic/ultrasound methods, Structural health monitoring, 10(6) (2011) 659-672.
[21] F. Amerini, E. Barbieri, M. Meo, U. Polimeno, Detecting loosening/tightening of clamped structures using nonlinear vibration techniques, Smart materials and structures, 19(8) (2010) 085013.
[22] T.H. Ooijevaar, Vibration based structural health monitoring of composite skin-stiffener structures, (2014).
[23] M. Meo, G. Zumpano, Nonlinear elastic wave spectroscopy identification of impact damage on a sandwich plate, Composite structures, 71(3-4) (2005) 469-474.
[24] D. Broda, W. Staszewski, A. Martowicz, T. Uhl, V. Silberschmidt, Modelling of nonlinear crack–wave interactions for damage detection based on ultrasound—A review, Journal of Sound and Vibration, 333(4) (2014) 1097-1118.