Bolted joints are commonly used in civil infrastructure and mechanical assembly structures. Monitoring and identifying the connection status of bolts is the frontier problem of structural research. The existing research is mainly on the looseness of a single bolt. This article presents a study of assessing the loosening/tightening health state and identifying the loose bolt by using ultrasonic guided wave in a bolt group joint. A bolt-tightening index was proposed for evaluating the looseness of a bolt connection based on correlation coefficient. The tightening/loosening state of the bolt was simulated by changing the bolt torque. More than 180 different measurement tests for total of six bolts were conducted. The results showed that with the bolt torque increases, value of the proposed bolt-tightening index increases. The proposed bolt-tightening index trend was very well reproduced by an analytical expression using a function of the torque applied with an overall percentage error lower than 5%. The developed damage index based on the proposed bolt-tightening index can also be applied to locate the loosest bolt in a bolt group joint. To verify the effectiveness of the proposed method, a bolt group joint experiment with different positions of bolt looseness was performed. Experimental results show that the proposed approach is effective to detect and locate bolt looseness and has a good prospect of finding applications in real-time structural monitoring.
In this paper, a novel but practical approach named series/parallel multi-sensing technique was proposed to evaluate the bolt looseness in a bolt group. The smart washers (SWs), which were fabricated by embedding a Lead Zirconate Titanate (PZT) transducer into two flat metal rings, were installed to the bolts group. By series connection of SWs, the impedance signals of different bolts can be obtained through only one sweep. Therefore, once the loosening occurred, the shift of different peak frequencies can be used to locate which bolt has loosened. The proposed multi input single output (MISO) damage detection scheme is very suitable for the structural health monitoring (SHM) of joint with a large number of bolts connection. Another notable contribution of this paper is the proposal of 3-dB bandwidth root mean square deviation (3 dB-RMSD) which can quantitatively evaluate the severity of bolt looseness. Compared with the traditional naked-eye observation method, the equivalent circuit based 3-dB bandwidth can accurately define the calculation range of RMSD. An experiment with three bolted connection specimens that installed the SWs was carried out to validate our proposed approach. Experimental result shows that the proposed 3 dB-RMSD based multi-sensing technique can not only identify the loosened bolt but also monitor the severity of bolt looseness.
It is essential to monitor the working conditions of bolt-connected joints, which are widely used in various kinds of steel structures. The looseness of bolts may directly affect the stability and safety of the entire structure. In this study, a guided wave-based method for bolt looseness detection and localization is presented for a joint structure with multiple bolts. SH waves generated and received by a small number (two pairs) of magnetostrictive transducers were used. The bolt looseness index was proposed based on the changes in the reconstructed responses excited by the time reversal signals of the measured unit impulse responses. The damage locations and local damage severities were estimated using the damage indices from several wave propagation paths. The back propagation neural network (BPNN) technique was employed to identify the local damages. Numerical and experimental studies were conducted on a lap joint with eight bolts. The results show that the total damage severity can be successfully detected under the effect of external force and measurement noise. The local damage severity can be estimated reasonably for the experimental data using the BPNN constructed by the training patterns generated from the finite element simulations.
There are many methods to assemble various parts of a product, and one of them is the bolting system widely used in a industrial field due to the merits; easiness to obtain strong tightening force, simplicity of assemble or disassemble in order to repair, substitution or cleaning, and so on. But this bolting system needs attachments not to let a bolt loose and they are an important factor to cost a great deal. In this study, some equations are suggested and FE analyses are carried out to verify the cause of the bolt looseness occurring in the tightening process. And because the number of bolts in the bolting system has been decided by empirical know-how of designers in the field, safety rate in the plate type heat exchanger is often too high. Therefore the equations to decrease in quantity are suggested in consideration of the relationship between a critical shearing force acting on the screw and a normal force acting on the cooling plate by the working fluid.
본 연구에서는 볼트 접합부 건전성 모니터링을 위하여 이중(dual) 압전재료 기법인 전달 임피던스 기법(transfer impedance technique)을 이용하여 볼트 이완을 탐지할 수 있는 기법을 연구한다. 전달 임피던스 기법에서는 하나의 압전재료가 탄성파를 가진하고 다른 압전재료가 이를 센싱함으로서 결함 등에 의한 탄성파 전파의 변화를 감지한다. 한편, 단일 압전재료 기법을 이용하기 위해서는 고가의 임피던스 분석기(impedance analyser)를 이용해야 하지만, 전달 임피던스 기법은 임피던스 분석기를 대체하여 일반적인 함수발생기(function generator)와 디지털 멀티미터(digital multimeter)를 이용한 결함탐지가 가능하기 때문에 저비용의 결함탐지를 수행할 수 있다. 고력볼트 접합부로 구성된 강판 프레임 실험체를 제작하고, 볼트의 조임력을 단계적으로 감소시키며 실험을 수행하였다. 전달 임피던스 기법을 이용하여 손상지수를 구하였고 이를 이용하여 결함 유무를 합리적으로 판정할 수 있었으며, 볼트 이완의 정도가 커질수록 손상지수가 증가함을 알 수 있었다. 동일한 실험체에 대하여 임피던스 분석기를 이용한 단일 압전재료 기법에 대한 실험을 수행하여 결과를 비교하였는데, 결함정도가 커질수록 손상지수가 모두 증가하는 유사한 경향을 보였다. 즉, 고가의 임피던스 분석기를 배제하고 저비용으로 볼트 접합부의 결함상태 추정이 가능한 것으로 판단된다. 향후 결함위치 및 정도를 판정할 수 있는 연구가 추가된다면 볼트 접합부 건전성 모니터링에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
This work presents a study on development of a practical and quantitative technique for assessment of the healthy state of a structure by piezoelectric impedance-based technique associated with longitudinal wave propagation measuring method. A truss structure embedded with piezoelectric patches is investigated for a fundamental study on estimation of the looseness of bolts in the joint. In order to evaluate the minute mechanical impedance change due to loosening bolt, a harmonic longitudinal elastic wave is applied to the structure by a pair of PZT patches and their electric impedance is measured simultaneously. According to the experimental results, the change of the electric impedance of P...
The tiebar is used by joint for keeping from deformation by conserving tensile load between two structure. The tiebar, bolt joining type, is combined by tiebar and clevis like bolt and nut. By coupled, it maintains tensile load. While it goes through repeated load, it occurs to loose because joining force between clevis and nuts is reduced. So, continuos maintenance is needed such as making tighter periodically, repairing the broken part and so on. For that reason, this paper calculates necessary torque unfastening joint for conventional tiebar and presenting tiebar theoretically and then consider the reason that conventional bolt-typed tiebar unties. Also, through vibration untied test for two types of tiebar we confirm that presenting tiebar have a improvement of unfastening when we compare with the conventional one.
During the long-time service of a bolt, its preload may suffer slight perturbations or significant reductions. It is a dilemma to monitor preload changes at high resolution and full scale. Approaches for bolt preload monitoring with multi-resolution should be developed. In this paper, a simple and effective multi-resolution bolt preload monitoring approach using ultrasonic guided waves (UGW) is proposed. A linear relationship between the time-of-flight (TOF) variation of multi-reflected waves and preload is derived to theoretically reveal the multi-resolution properties of UGW. The variations of TOF before and after the slight preload perturbations are extracted by using a global evaluation method. Experimental results show that the signal-to-noise ratio (SNR) of the 1st, 2nd, and 3rd-reflected UGWs is larger than 20 dB. The resolution of the 2nd-reflected UGW is higher than that of the 1st-reflected UGW and lower than that of the 3rd-reflected UGW. The ultimate detectable resolutions of bolt preload (DRBP) of the 1st and 3th-reflected UGWs are 0.9% and 0.5%, respectively. By using the 1st and 3th-reflected guided waves, the bolt looseness with different degrees can be monitored simultaneously.
Youhao Ni;Jianxiao Mao;Hao Wang;Yuguang Fu;Zhuo Xi
Smart Structures and Systems
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제32권1호
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pp.23-35
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2023
Steel bolted joint is an important part of steel structure, and its damage directly affects the bearing capacity and durability of steel structure. Currently, the existing research mainly focuses on the identification of corroded bolts and corroded bolts respectively, and there are few studies on multiple states. A detection framework of corroded and loosened bolts is proposed in this study, and the innovations can be summarized as follows: (i) Vision Transformer (ViT) is introduced to replace the third and fourth C3 module of you-only-look-once version 5s (YOLOv5s) algorithm, which increases the attention weights of feature channels and the feature extraction capability. (ii) Three states of the steel bolts are considered, including corroded bolt, bolt missing and clean bolt. (iii) Line segment detector (LSD) is introduced for bolt rotation angle calculation, which realizes bolt looseness detection. The improved YOLOv5s model was validated on the dataset, and the mean average precision (mAP) was increased from 0.902 to 0.952. In terms of a lab-scale joint, the performance of the LSD algorithm and the Hough transform was compared from different perspective angles. The error value of bolt loosening angle of the LSD algorithm is controlled within 1.09%, less than 8.91% of the Hough transform. Furthermore, the proposed framework was applied to fullscale joints of a steel bridge in China. Synthetic images of loosened bolts were successfully identified and the multiple states were well detected. Therefore, the proposed framework can be alternative of monitoring steel bolted joints for management department.
This work presents a study on development of a practical and quantitative technique for assessment of the structural health condition by PZT impedance-based technique associated with longitudinal wave propagation. The bolt fastening condition is adjusted by torque wrench In order to estimate the damage condition numerically, we suggest the evaluation method of impedance peak frequency shift $\Delta$F in this paper.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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