基于深度学习的木结构螺栓连接松动性能的测试方法研究

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螺栓连接具有结构简单、拆卸方便等优点,在重载木结构中得到广泛应用。在循环载荷作用下,预紧力下降导致的螺栓松动,是引发连接结构失效的关键因素。螺栓预紧力和松动旋转角度是定量评估螺栓连接松动性能的重要指标。因此,在螺栓连接松动初期对预紧力下降和松动旋转角度变化进行测试能够及时地采取紧固措施阻止木结构连接的失效,从而有效防止木结构整体出现松动引发的安全性问题。本文围绕螺栓连接初期松动性能测试方法开展研究,完成的主要工作如下:针对螺栓连接松动初期预紧力下降与旋转角度理论计算问题,基于Junker理论以及试验模型研究了螺栓连接在横向载荷下的松动失效规律,明确了预紧力和松动旋转角度是量化螺栓连接松动性能的重要指标。研究了螺栓与构件间配合、螺栓与螺母间螺纹副配合对螺栓连接松动的影响,并结合预紧力计算方法、螺栓螺纹摩擦扭矩、螺栓头与端面摩擦扭矩间理论关系以及松动旋转角度和预紧力关系,推导了螺栓连接预紧力衰退计算数学模型,解决了横向载荷下预紧力衰退理论计算问题,结合螺栓规格尺寸和木材参数计算预紧力与旋转角度关系,通过理论计算验证了预紧力衰退理论模型在木结构连接的适用性,为后续的预紧力与松动旋转角度测试奠定了基础。针对振动载荷下木结构螺栓松动的性能开展分析方法研究,提出了三种方法相结合的木材力学性能测试的无损检测方法,通过试验获得木材弹性常数,解决了木结构螺栓连接结构的材料建模问题;建立了具有螺纹升角的螺栓和螺纹副有限元模型,结合接触分析对螺栓施加预紧力,建立了周期性横向振动载荷下的螺栓松动计算方法,计算预紧力下降趋势与松动旋转角度关系;针对四种连接形式的松动性能,分析了螺栓松动的影响因素。通过振动试验,采用超声波测试方法处理预紧力测试信号,验证了螺栓松动分析结果。针对木结构螺栓连接预紧力测试问题,融合深度学习技术设计了连接结构预紧力测试方法,结合时间反转法开发了基于深度学习的超声Lamb波螺栓连接预紧力测试系统,并运用三种深度学习算法(LSTM、Wide Res Net50_2和Dense Net121)与时间序列信号分类算法SAX-VSM分别处理不同预紧力的测试信号,进而根据不同的分类要求识别预紧力大小,得出四种算法在不同分类情况下的识别精度,并找出最优算法,提高了预紧力测试的准确率,实现木结构螺栓连接预紧力在线检测。针对木结构螺栓连接松动旋转角度检测问题,首先提出螺栓松动旋转角度离线检测计算方法,结合深度学习YOLO v3算法建立螺栓松动旋转角度离线检测模型,进一步根据螺栓在实际工况中的空间位移实时坐标变化,结合SSD算法提出了螺栓松动旋转角度在线检测模型,对螺栓松动旋转角度进行训练与测试,验证了此方法的可行性。此方法准确测量木结构螺栓松动旋转角度,实现了螺栓松动在线检测,提高了测试方法的完整性。本文探究了螺栓预紧力与松动旋转角度的分析与测试方法,定量评估了这两个参数指标,为木结构螺栓连接松动性能的研究提供了理论依据与应用方法,且为木结构使用中安全问题的预防提供了有力保障。
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