【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及振动声调制技术在车辆、飞机、建筑等结构的无损检测和健康监测中的应用，特别涉及一种预测材料非线性指数随螺栓松弛的单调区间的方法。
技术介绍
1、振动声调制技术是一项基于非线性声波的损伤检测技术。它通过在螺栓连接结构上激励两种频率的信号，即低频振动波和高频探测波，随后利用该两类信号在结构的非线性响应实现螺栓残余预紧力的监测。按照现有的理论假设，随着螺栓松动的加剧，结构产生的调制边带(频率为两个激励频率的和与差)幅值单调升高，调制边带幅值与基频幅值的比值(后称为非线性指数)也同步升高。
2、2018年，zhen zhang、menglong liu、yaozhong liao、zhongqing su、yi xiao著的“contact acoustic nonlinearity(can)-based continuous monitoring of boltloosening:hybrid use of high-order harmonics and spectral sidebands”(mechanical systems and signal processing,2018,103:280-294)基于弹性粗糙接触模型建立振动声调制特征和螺栓松动的力学关系，理论上非线性指数与螺栓残余转矩呈单调相关。然而，实测结果显示非线性指数及边带幅值在螺栓松动过程中出现非单调变化。
3、cn112945451a公开一种基于非线性声调制碳纤维复合材料螺栓早期松动检测方法，将扫频信号分别应用于低频波与高频
4、振动声调制信号特征在损伤单向发展过程中的非单调变化将使得损伤定量识别失效。因此，有必要揭示其非单调现象成因，进而提出维持振动声调制信号特征随螺栓松动单调变化的方法。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题是要提供一种预测材料非线性指数随螺栓松弛的单调区间的方法，提升振动声调制技术对螺栓松动的识别精度。
2、为了解决以上的技术问题，本专利技术提供了一种预测材料非线性指数随螺栓松弛的单调区间的方法，包括如下的步骤：
3、步骤s1：根据压痕实验测得材料粗糙表面的刚度软化现象，基于粗糙相关的材料参数建立描述该弹塑性现象的线性刚度模型，并得到对应的非线性刚度的振动方程；
4、步骤s2：根据非线性刚度的振动方程推导出振动声调制在松弛螺栓连接件的响应特征，所述响应特征为边带幅值及非线性指数，是粗糙影响的松动识别指标；
5、步骤s3：确立模型材料参数对应任意单调监测区间的判定范围，在螺栓连接件制造加工过程中基于参数范围来控制材料表面粗糙条件，使螺栓松动监测中的振动声调制特征保持单调变化。
6、本专利技术所提出的单调区间判断只与材料表面粗糙条件相关，以材料参数m0和n表示：
7、(1)螺栓连接件的残余扭矩t和其在接触面产生的法向接触压强p0表示为：
8、p0＝t/(τd)/s；
9、其中：τ是摩擦系数，d是螺栓直径，s是接触面积；
10、(2)通过接触压强的递减指数公式来描述界面刚度弹塑性软化的力学理论模型，根据压痕实验表征的刚度本构关系，建立描述线性接触刚度关于接触压强p0先指数增长后减小的模型为：
11、
12、其中：c是比例常数，m0是初始粗糙系数，n是粗糙软化系数；
13、该模型是通过引入“-np0”项来描述压力增长下界面的弹塑性软化效应，当n＝0时，退化为弹性的hertz接触模型；
14、(3)根据泰勒展开的定义，对线性接触刚度求导数得到非线性接触刚度：
15、
16、(4)将线性接触刚度及非线性接触刚度表达式代入振动声调制的控制方程：
17、
18、其中：m是质量，x是振动位移，t是时间，φ是摄动参数，ω1和ω2是两列激励信号的圆频率，a1和a2是激励幅值；
19、(5)通过摄动法求得信号响应的解析解为：
20、
21、
22、
23、
24、其中：xlf是低频基波位移，xhf是高频基波位移，该两列信号属于线性分量；xls和xrs是左右边带位移，属于非线性分量；
25、(6)通过非线性分量和线性分量的幅值之比来构建非线性指数β：
26、
27、当结构的质量和检测频率确定时，非线性指数β是接触刚度的函数，而接触刚度是接触力或扭矩的函数，因而非线性指数β用于表示螺栓残余扭矩的损伤指标；
28、(7)在扭矩单向变化的过程中，非线性指数β的单调性取决于非线性接触刚度其拐点分别为线性项为0和指数为0的两个触发条件，得到振动声调制特征(边带幅值和非线性指数)单调下降区间的条件方程为：
29、
30、其中：pmin是单调区间的下限，pmax是单调区间的上限；
31、(8)解得振动声调制单调监测对应的材料条件要求，即材料参数m0和n应满足：
32、
33、或
34、
35、振动声调制信号特征单调下降区间取决于受测材料的表面参数m0和n，通过减小受测材料表面粗糙度，增加振动声调制特征单调区间。
36、因此在制造加工过程中，一方面通过振动声调制实验对螺栓连接材料参数的抽样检测，确认螺栓松动监测中的适合范围。另一方面，对不符合预期目标区间的材料表面进行光滑处理，以降低材料m0和n的大小，拓宽该类试件在服役状态下螺栓松弛过程的单调监测区间。
37、本专利技术的优越功效在于：基于线性接触刚度及非线性接触刚度的理论公式，考虑了粗糙塑性接触的影响，实现了螺栓松动过程中的振动声调制损伤指标非单调行为的可预测性，有助于提升振动声调制技术对螺栓松动的识别精度。
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1.一种预测材料非线性指数随螺栓松弛的单调区间的方法，其特征在于：包括如下的步骤：
2.根据权利要求1所述的预测材料非线性指数随螺栓松弛的单调区间的方法，其特征在于：所述步骤S1包括如下的步骤：
3.根据权利要求1所述的预测材料非线性指数随螺栓松弛的单调区间的方法，其特征在于：所述步骤S2包括如下的步骤：
4.根据权利要求1所述的预测材料非线性指数随螺栓松弛的单调区间的方法，其特征在于：所述步骤S3包括如下的步骤：
5.一种计算机系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序以实现权利要求1所述方法的步骤。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1所述方法的步骤。
7.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于：该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1所述方法的步骤。
【技术特征摘要】
1.一种预测材料非线性指数随螺栓松弛的单调区间的方法，其特征在于：包括如下的步骤：
2.根据权利要求1所述的预测材料非线性指数随螺栓松弛的单调区间的方法，其特征在于：所述步骤s1包括如下的步骤：
3.根据权利要求1所述的预测材料非线性指数随螺栓松弛的单调区间的方法，其特征在于：所述步骤s2包括如下的步骤：
4.根据权利要求1所述的预测材料非线性指数随螺栓松弛的单调区间的方法，其特征在于：所述步...
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