螺栓联接作为一种最基本的紧固件联接结构形式,从小型工具到大型设施,从日常民用到先进科技装备等被广泛应用于国民生产生活的众多领域。螺栓联接结构在冲击、振动及交变荷载的长期作用下,会逐渐产生松动脱落甚至断裂,而某些关键部位的螺栓联结结构一旦松动或脱落,将可能导致重大安全事故。本论文利用压电阻抗技术,结合理论分析、有限元仿真分析与实验验证,系统地研究了螺栓联接状态的监测机理及方法,主要研究内容及主要结论如下:(1)基于压电材料自身的高频谐振特性,建立了压电材料自身及压电材料与基体结构耦合系统的压电阻抗高频理论模型,由逐点动态刚度理论,揭示了基体结构工作状态改变对其局部动力学特性(结构的局部谐振频率)的影响,即当基体结构的工作状态发生变化时,其机械阻抗会随之发生变化,导致结构局部阻抗比或刚度比发生变化,并由压电材料输出阻抗/导纳谱反映出来,通过压电输出导纳信号,便可确定结构的健康状态。基体结构局部的刚度变化仅影响基体结构局部动态特性,从结构整体进行测试很难检测到该变化,而压电阻抗技术采用高频激励与传感时,测量安装位置基体结构局部的动力学特性变化,能有效检测到这种初始变化,这是其它结构健康监测方法难以实现的。(2)基于单轴拉压一维构件波动方程,推导了单轴拉压一维构件轴向载荷变化与结构固有频率之间的函数关系,即结构横向振动模态的固有频率会随轴向拉伸载荷(拉应力)的增加而近似线性增大,随轴向压缩载荷(压应力)增加而线性减小;而纵向振动模态频率则基本保持不变。鉴于结构的每一阶振动模态都会在压电阻抗/导纳信号中以谐振形式出现,因此,在结构压电耦合系统输出的阻抗/导纳谱中,通过观察导纳谱峰、谷值对应频率发生的相应偏移,便可以确定结构的应力变化状态,实现对结构工作应力状态的监测。(3)基于压电阻抗谐振频率的变化量与结构外部载荷变化量两者间的线性关系,提出将压电阻抗谐振频率的变化量作为特征参量来对螺栓的联接状态进行监测。针对螺栓联接件的结构特征及使用环境,设计了螺栓杆部集成压电材料、螺栓头部端面集成压电材料及螺母侧面集成压电材料的三种螺栓联接状态监测方案:(a)螺栓杆部集成压电材料的螺栓联接状态监测实验结果表明,耦合结构的阻抗/导纳谱谐振频率随螺栓轴向拉伸载荷的增大而近似线性增大;(b)螺栓头部端面集成压电材料的螺栓联接状态监测实验结果表明,压电导纳谱中谐振峰值频率随螺栓预紧力的增加而近似线性递减,即当螺栓发生松动,预紧力减小时,其谐振峰值频率近似线性增大。在洁净环境和油污环境下的对比实验测试结果还表明,油污环境对谐振峰值频率影响较小,因此,基于谐振频率变化的螺栓联接状态监测方法抗干扰能力强;(c)螺母侧面集成压电材料的螺栓联接状态监测实验结果表明,在预紧力作用下,螺母外侧面靠近自由端面部分处于拉应力状态,接近被联接件部位呈现压应力状态,因此,螺母侧面集成压电材料所得到的导纳谐振峰值频率与螺栓预紧力的大小、压电片的集成位置有关,但阻抗谱中谐振频率该变量与预紧力变化之间呈现出的线性关系与理论分析符合。实验分析还发现,压电片几何尺寸越小,耦合结构阻抗谐振峰值频率越大,且压电片横向粘贴时谐振频率随载荷变化更明显。当将压电材料分别集成在螺栓杆部、螺栓头部端面与螺母外侧面上形成智能螺栓结构时,可将阻抗/导纳谱中谐振频率峰值作为特征值来对螺栓预紧力及联接状态进行在线监测,该方法抗噪性能好,应用范围广。