基于扭矩量化的螺纹紧固件结构防松性能检测方法与流程

本发明涉及螺纹紧固件防松性能检测，具体为基于扭矩量化的螺纹紧固件结构防松性能检测方法。

背景技术：

1、螺纹紧固件在承受轴向载荷或振动环境时，防松性能直接影响连接结构的可靠性。现有防松性能检测手段主要采用横向振动试验、拧出扭矩测试、轴向力衰减监测以及扭矩系数测量等方法。这类方法通常以振动循环后的预紧力衰减率、拧出扭矩值或轴向力变化量作为评价依据，关注的是加载前后的宏观力学参数变化。部分方法通过监测紧固件头部转角与轴向伸长量的关系获得扭矩或转角相关指标。扭矩系数法在轴向拉伸试验中测量扭矩与预紧力的比值，但该比值受螺纹副和支承面润滑状态、表面粗糙度及几何偏差影响，分散性较大。

2、然而，上述现有方案多依赖单一宏观指标，难以反映螺纹结构在轴向拉伸加载过程中不同承载区间内扭转响应与轴向位移之间的局部变化，也未对弹性变形和塑性滑移阶段进行有效区分。振动试验结果受工装刚度和摩擦状态影响较大，拧出扭矩测试容易受支承面条件和螺纹副局部损伤干扰，轴向力衰减监测则对早期微滑移和局部塑性变形不敏感。在螺纹紧固件出现局部接触状态改变、支承面微滑移或螺纹牙局部屈服时，整体指标可能仍处于正常范围，导致检测结果无法准确表征结构防松性能。现有评价方式还缺少对扭矩响应波动程度和累积扭矩传递关系的综合量化，难以区分不同承载阶段扭矩响应特征的变化。

3、需要一种基于扭矩量化的螺纹紧固件结构防松性能检测方法，能够从轴向拉伸加载过程中的扭转角位移和轴向位移信号中识别承载区间变化，分离弹塑性响应，并将扭矩响应的局部波动和总体传递效率纳入防松性能量化，以克服单一宏观指标在局部缺陷识别方面的不足。

技术实现思路

1、针对现有技术中螺纹紧固件防松性能检测多依赖宏观力学指标、难以反映局部弹塑性响应变化的问题，提供一种基于扭矩量化的螺纹紧固件结构防松性能检测方法。通过对待测螺纹紧固件施加轴向拉伸载荷并同步采集扭转角位移和轴向位移，根据扭转角位移局部极值点分布分割承载区间，在各承载区间内以扭转角位移对轴向位移的导数突变点划分弹性段和塑性段并计算扭转刚度系数比值，形成扭矩响应特征曲线，再以波动幅值序列离差系数和累积扭矩传递效率两个指标映射防松等级判定矩阵，实现螺纹紧固件结构防松性能的量化检测。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明提供一种基于扭矩量化的螺纹紧固件结构防松性能检测方法，包括：对待测螺纹紧固件施加轴向拉伸载荷并同步采集紧固件头部端面的扭转角位移序列和轴向位移序列；根据扭转角位移序列中的局部极值点分布，将轴向位移序列分割为多个承载区间；在每个承载区间内，提取扭转角位移对轴向位移的导数序列，并定位导数序列中的突变点；以突变点为界，将承载区间划分为弹性段和塑性段，分别计算弹性段和塑性段的扭转刚度系数；将弹性段的扭转刚度系数与塑性段的扭转刚度系数的比值，作为该承载区间的扭矩响应特征值；将全部承载区间的扭矩响应特征值按时间顺序排列，形成扭矩响应特征曲线；从扭矩响应特征曲线中提取波动幅值序列，计算波动幅值序列的离差系数，作为量化防松性能的第一指标；根据轴向位移序列的总增量与对应的扭转角位移序列的总增量，计算累积扭矩传递效率，作为量化防松性能的第二指标；将第一指标和第二指标映射至预设的防松等级判定矩阵，输出防松性能检测结果。该方法利用弹性段与塑性段的扭转刚度差异构建扭矩响应特征，并结合波动离差与累积传递效率进行双指标判定，能够对螺纹紧固件结构防松性能进行定量评价。

3、优选的，对待测螺纹紧固件施加轴向拉伸载荷并同步采集紧固件头部端面的扭转角位移序列和轴向位移序列的具体方式为：将待测螺纹紧固件安装于拉伸试验机与扭转传感器组成的夹持系统中，启动拉伸试验机按照恒定速率施加轴向拉伸载荷；在轴向拉伸载荷施加过程中，通过扭转传感器连续采集紧固件头部端面的扭转角位移信号，通过位移传感器连续采集紧固件头部端面的轴向位移信号；将扭转角位移信号和轴向位移信号分别经模数转换后，按相同的时间采样率生成扭转角位移序列和轴向位移序列。由此能够保证扭转角位移序列与轴向位移序列在时间上严格同步，提高检测数据可靠性。

4、作为本发明的一个技术方案，根据扭转角位移序列中的局部极值点分布，将轴向位移序列分割为多个承载区间的具体方式为：对扭转角位移序列执行滑动窗口极值检测，检测窗口内扭转角位移数值大于窗口内前一个相邻值且大于窗口内后一个相邻值的点作为局部极大值点，检测窗口内扭转角位移数值小于窗口内前一个相邻值且小于窗口内后一个相邻值的点作为局部极小值点；将每个局部极大值点和每个局部极小值点在扭转角位移序列中的位置索引映射至轴向位移序列中的相同位置索引，作为轴向位移序列的分割边界；以轴向位移序列的起始点作为第一分割起点，以轴向位移序列中每个分割边界作为分割终止点并同时作为下一分割区间的分割起点，依序将轴向位移序列分割为多个承载区间。该分割方式依据扭转角位移的局部极值变化确定边界，能够将轴向位移过程划分为具有不同承载特征的多个区间。

5、作为本发明的一个技术方案，在每个承载区间内，提取扭转角位移对轴向位移的导数序列，并定位导数序列中的突变点的具体方式为：对于每个承载区间，将该承载区间内扭转角位移序列的相邻点差值除以对应轴向位移序列的相邻点差值，得到扭转角位移对轴向位移的逐点导数序列；沿逐点导数序列的时间方向，计算每相邻两个导数数值的差值绝对值，将差值绝对值超过预设跃变阈值的相邻点之间的位置标记为备选突变位置；从备选突变位置中选取差值绝对值最大的位置作为该承载区间的突变点。该方式能够自适应识别每个承载区间内扭转刚度发生显著变化的位置。

6、作为本发明的一个技术方案，以突变点为界，将承载区间划分为弹性段和塑性段，分别计算弹性段和塑性段的扭转刚度系数的具体方式为：以每个承载区间内的突变点作为划分边界，将位于突变点靠近承载区间起始侧的子区间标记为弹性段，将位于突变点远离承载区间起始侧的子区间标记为塑性段；对弹性段内的扭转角位移序列和轴向位移序列进行线性回归拟合，将拟合得到的斜率作为弹性段的扭转刚度系数；对塑性段内的扭转角位移序列和轴向位移序列进行线性回归拟合，将拟合得到的斜率作为塑性段的扭转刚度系数。这样能够分别提取弹性变形阶段和塑性变形阶段的扭转刚度特征。

7、作为本发明的一个技术方案，将弹性段的扭转刚度系数与塑性段的扭转刚度系数的比值，作为该承载区间的扭矩响应特征值的具体方式为：对于每个承载区间，读取该承载区间对应的弹性段的扭转刚度系数和塑性段的扭转刚度系数；将弹性段的扭转刚度系数作为被除数，将塑性段的扭转刚度系数作为除数，计算两者的商值；将该商值赋值给该承载区间，作为该承载区间的扭矩响应特征值。该扭矩响应特征值能够体现承载区间内弹性阶段与塑性阶段扭转传递能力的差异。

8、作为本发明的一个技术方案，从扭矩响应特征曲线中提取波动幅值序列，计算波动幅值序列的离差系数，作为量化防松性能的第一指标的具体方式为：将扭矩响应特征曲线按其时间顺序等分为若干个分析窗口，在每个分析窗口内取扭矩响应特征值的最大值和最小值的差值作为该分析窗口的波动幅值；将所有分析窗口的波动幅值按时间顺序排列，形成波动幅值序列；计算波动幅值序列的标准差与波动幅值序列的算术平均值的比值，将该比值作为量化防松性能的第一指标。该第一指标反映扭矩响应特征曲线在整个加载过程中的波动程度。

9、作为本发明的一个技术方案，根据轴向位移序列的总增量与对应的扭转角位移序列的总增量，计算累积扭矩传递效率的具体方式为：从轴向位移序列中读取序列末位值与序列首位值的差值，作为轴向位移总增量；从扭转角位移序列中读取序列末位值与序列首位值的差值，作为扭转角位移总增量；将扭转角位移总增量除以轴向位移总增量，得到单位轴向位移下的累积扭转角增量，作为累积扭矩传递效率。该第二指标反映螺纹紧固件在拉伸过程中的整体扭矩累积传递能力。

10、作为本发明的一个技术方案，将第一指标和第二指标映射至预设的防松等级判定矩阵，输出防松性能检测结果的具体方式为：读取预设的防松等级判定矩阵，该判定矩阵的行方向对应第一指标的数值区间划分，列方向对应第二指标的数值区间划分，每个行列交叉点对应一个防松等级；确定第一指标的数值在判定矩阵行方向中所属的数值区间，确定第二指标的数值在判定矩阵列方向中所属的数值区间；以两个数值区间在判定矩阵中的交叉点所对应的防松等级作为检测结果输出。通过双指标矩阵映射，能够综合考虑扭矩响应波动与累积扭矩传递效率，提高防松性能检测的准确性。

11、作为本发明的一个技术方案，在生成防松等级判定矩阵时执行的数据准备步骤为：获取同一批次多个待测螺纹紧固件的第一指标数值集合和第二指标数值集合，分别对第一指标数值集合和第二指标数值集合进行分位数划分，得到第一指标的等级划分阈值集合和第二指标的等级划分阈值集合；根据第一指标的等级划分阈值集合构建判定矩阵的行划分边界，根据第二指标的等级划分阈值集合构建判定矩阵的列划分边界；将行划分边界与列划分边界组合生成防松等级判定矩阵，并将矩阵中每个交叉点初始赋予空值。这样可以使判定矩阵适应同一批次螺纹紧固件的统计特征，提升防松等级判定的稳定性和客观性。

12、在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

13、通过扭转角位移序列中的局部极值点分布将轴向位移序列分割为多个承载区间，并在每个承载区间内计算扭转角位移对轴向位移的逐点导数，依据导数突变点将承载区间划分为弹性段和塑性段，分别对弹性段和塑性段内的扭转角位移序列与轴向位移序列进行线性回归拟合，得到弹性段扭转刚度系数和塑性段扭转刚度系数，再以弹性段扭转刚度系数与塑性段扭转刚度系数的比值作为该承载区间的扭矩响应特征值。该划分方式由实测信号的突变位置确定弹塑性边界，不依赖预先设定的变形阶段阈值，因而能够适应不同螺纹规格、材料和加载条件。相比传统方法中仅记录整体扭矩、预紧力或转角的变化量，上述扭矩响应特征值能够反映局部承载过程中弹性变形与塑性变形对扭转响应的不同作用，对螺纹牙局部滑移、支承面微滑移和局部塑性变形引起的扭矩响应改变具有更明显的指示作用。由于各承载区间的弹塑性刚度比是独立提取的，能够降低摩擦状态波动和整体平均效应对局部异常特征的掩盖。

14、将全部承载区间的扭矩响应特征值按时间顺序排列形成扭矩响应特征曲线，从该曲线中提取波动幅值序列并计算离差系数，作为量化防松性能的第一指标；同时根据轴向位移序列总增量与扭转角位移序列总增量计算累积扭矩传递效率，作为第二指标。波动幅值序列的离差系数表征各承载区间之间扭矩响应特征值的起伏程度，能够反映螺纹结构在轴向拉伸加载过程中扭矩响应一致性的变化；累积扭矩传递效率描述单位轴向位移对应的累积扭转角增量，能够反映螺纹结构在整体加载过程中的扭矩传递关系。将波动幅值离差系数和累积扭矩传递效率映射至预设防松等级判定矩阵后，检测结果同时覆盖扭矩响应局部波动和总体累积传递两个层面，减少单一宏观指标因支承面条件、螺纹副摩擦状态波动或局部早期损伤不敏感引起的误判，使防松性能检测结果更接近螺纹结构在轴向载荷作用下的实际响应状态。