高张力螺栓中的轴向载荷或预紧力方面的技术水平
前言
螺栓是结构和机器可拆卸组件的重要元素，提供所需的轴向或预紧力。控制螺栓的轴向载荷或预紧力，以确保结构的安全性和可靠性。不足的预紧力或过度预紧力是螺栓连接失效的常见原因。监测高张力螺栓的预紧力对于保持工程结构的强度和安全性至关重要。
一种有效的测量螺栓应变的方法是使用安装在螺栓体上的标准电阻应变片。这种方法可以得出准确的螺栓应变测量当螺栓两侧均可访问时，涉及使用卡尺直接测量螺栓的伸长量。
预紧力的变化界面接触特性也会发生变化。通过主动压电传感技术，可通过由压电换能器产生的超声信号监测界面接触特性的变化，从而监测螺栓连接状态。这种主动感测方法具有很大的现场/实时监测潜力。
通过调整施加扭矩引起螺栓松动的多种损伤情况，Zadoks和Yu研究了在横向振动下螺栓的自松动行为。Pai和Hess则研究了由于动态剪切载荷引起的螺纹紧固件松动现象，基于振动的螺栓结构损伤评估是一种可行的方法，常见的振动测试设备可满足此目的。
这三个特性的三种不同方法通过在螺栓头上设置超声波探头，使用环绕声技术测量螺栓中的飞行时间（TOF），第一次往返和第二次往返之间的时间差。弹性波在材料中的传播受残余应力和应用应力的影响。
超声波的传输时间测量得到螺栓中的时间飞行（TOF），这个方法被称为TOF法。弹性波在材料中的传播受到残余应力和应力状态的影响，声速会随着应力状态的变化而改变。对于均匀各向同性的材料，纵向和横向波的速度可以分别表示为VL0和VT0。
螺栓受到轴向载荷时，总长度的某些部分会局部受应力或未受应力。可以假设初始螺栓长度是有效长度Le和未受应力部分L0的总和。TOF法的实验通常使用相对较高频率的超声波约5 MHz至10 MHz，相位检测法可以精确地测量TOF。根据声速与应力之间的线性关系，TOF的测量来确定螺栓的轴向应力和力。
两个正交极化的剪切波分别在固体中转化为纵向极化波或者两个正交极化的剪切和纵向分量。在液体中转化为纵向波时模式转换将发生在固体/液体界面上。在转换过程固体介质的机械特性和应力状态会影响折射后波的极化和速度。
产生的多个模式转换超声信号捕获螺栓中的纵向波和剪切波的TOF来测量。使用10MHz的超声波产生的模式转换超声波，从拉伸试验中观察到两个不同极化声波的TOF比与螺栓轴向应力成线性比例关系符合理论预期。
螺栓的飞行时间变化只有数十纳秒左右，测量容易受到环境干扰，特别是在工业场地。大多数上述方法需要高采样率，通常在几百千赫或甚至兆赫级别。需要高采样率和相关数据采集系统的高成本是实现现场自动化螺栓结构健康监测的主要障碍之一。
在所有螺栓连接也会在其不完美的接口处产生部分接触。施加在螺栓上的扭矩可能会改变接触界面的特性，刚度、阻尼和真实接触面积。获得了接触界面特性的变化，螺栓连接的紧固程度。
波是能量传输螺栓连接处不完美接触界面处的能量耗散现象可以通过检查传输波来描述。根据波传播主要发生在真实接触面积中的事实，传输波能量的数量与真实接触面积成正比。根据经典的赫兹接触理论，在最大赫兹压力的限制下，真实接触面积与施加于接触面的压力的平方根成正比。
基于上述理论Wang建立了实验设备，将两个PZT贴片粘贴在螺栓连接的不同侧面上。在主动传感方法中，一个PZT用于产生应力波，该波将传播到连接表面的另一侧PZT用于检测应力波信号。预载力确定连接条件并影响越过界面的波传播。
压电陶瓷片作为作动器和传感器时，当由该片产生的超声波射入螺栓连接处的接口时，会通过凸起间隙传输并在空气间隙处反射回来。当超声波波长相对于接口内气隙的尺度较长时，接口整体表现为反射器。Marshall等人使用超声波的反射系数测量螺栓连接中接触压力的松弛。
向量机（SVM）用于螺栓连接的损伤检测，通过运行傅里叶变换计算激励频率处的傅里叶幅度来创建特征向量。小波变换和模式识别技术，概率神经网络（PNN）和支持向量机，用于检测由移除连接处的多个螺栓引入的钢板样品的损伤。
利用阻抗测量技术进行结构健康监测的理论方法。在这种技术将压电陶瓷贴片表面粘结到被监测结构上，阻抗分析仪产生一个在千赫范围内的交变电压扫描信号。振动的贴片将其振动传递给主结构，结构影响着由粘结贴片和交流电源组成的电路。
结论
大型结构的螺栓连接状态只影响结构的局部动态特性。阻抗方法适用于研究具有适当感知频率的螺栓连接的局部动态特性。Park等人利用压电材料的电-机械耦合性质和阻抗方法，在连接螺栓的民用管道结构上进行了实验。该实验证明了阻抗方法追踪和监测典型民用设施完整性的能力。在大多数阻抗方法中，使用损伤指数评估螺栓紧固程度，难以定量评估螺栓连接状态。
