一种螺栓预紧力评估方法及其动态参数测量装置

技术领域

本发明属于机械装备高性能装配技术领域，尤其涉及一种螺栓预紧力评估方法及其动态参数测量装置。

背景技术

螺栓是机械装备制造领域主要连接形式，其预紧力的精准评估已成为制约机械装备(尤其是航空航天、轨道交通、海洋工程及智能制造等高端装备)装配质量和使役性能提升的关键瓶颈。此外，近年来由于螺栓预紧力欠佳导致的安全事故时有发生，使得螺栓预紧力评估方法的重要性日益凸显。

现有螺栓预紧力评估方法主要分为两类：一是考虑实际工况的经验模型，二是基于有限元的迭代调节模型。研究发现，前者精度取决于预应力与屈服极限比值，后者精度与效率取决于实体模型网格质量及边界条件，且两类方法通常忽略连接件几何尺寸与物理属性等参数的影响，未能从理论上建立较为全面的螺栓预紧力评估模型。因此，如何利用先进数学与力学理论提出预紧力评估方法变得尤为重要。

发明内容

鉴于上述现有方法的不足，本发明提供一种螺栓预紧力评估方法及其动态参数测量装置，用以在设计阶段实现预紧力精准评估和动态参数的实时测量，避免了预应力和边界条件检测困难的难题，能够提高机械装备装配质量和使役性能。

为达到上述目的，本发明一方面提供一种螺栓预紧力评估方法，其技术方案为：

基于螺栓紧固物理过程与数学谱问题等效方法，以能量为媒介，考虑结构几何尺寸和材料物理属性等恒定参数及翘曲位移与角位移等动态参数，建立以下螺栓预紧力评估模型，

其中，F为螺栓预紧力，E为弹性模量，I为惯性矩，α为角位移，d为测点与拧紧螺栓轴线间距，l

获取栓接结构几何尺寸、测点翘曲位移与材料物理属性参数数据，进一步的，所述测点翘曲位移约等于螺栓伸长量，并利用翘曲位移数据进行修正；

根据所述测点翘曲位移及其与拧紧螺栓轴线距离数据确定薄板角位移；

基于所述参数数据、角位移和评估模型确定螺栓预紧力。

本发明另一方面提供一种螺栓预紧力动态参数测量装置，其技术方案为：

一种螺栓预紧力动态参数测量装置，包括工作台、数显扭矩扳手、固定夹具、螺栓连接结构及测点翘曲位移和螺栓预紧力测量系统；螺栓连接结构置于固接在工作台上的固定夹具中。

进一步，所述测点翘曲位移测量系统包括柔性支架、电涡流位移传感器、LMS系统、供电装置和位移采集软件；柔性支架用以装夹电涡流位移传感器，电涡流位移传感器和供电装置与LMS系统连接，LMS系统将信号输入位移采集软件。

进一步，所述螺栓预紧力测量系统包括环形压力传感器、信号放大器、数据采集卡和预紧力采集软件；环形压力传感器置于螺栓与连接件之间，与信号放大器相连，通过数据采集卡将信号输入预紧力采集软件。

与现有方法相比，本发明具有以下优点：

(1)建立了基于能量法的螺栓预紧力评估模型，能够量化螺栓预紧力与结构几何尺寸和材料物理属性等恒定参数及翘曲位移和角位移等动态参数间的耦合关系，且给出较为准确的理论计算结果，为设计阶段螺栓预紧力的评估及机械装备可靠性提升提供了有效方法。

(2)提出的螺栓预紧力动态参数测量装置能够同时连续测量螺栓紧固期间预紧力和测点翘曲位移，避免了预应力和边界条件检测困难及高成本等难题；此外，该装置还可用于螺栓预紧力评估方法的验证。

附图说明

图1是螺栓预紧力评估方法的流程图。

图2是薄板翘曲位移及螺栓预紧力测量装置示意图。

附图标记为：1-位移采集软件；2-螺栓预紧力采集软件；3-数据采集卡；4-电涡流位移传感器；5-信号放大器；6-数显扭矩扳手；7-LMS系统；8-供电装置；9-固定夹具；10-螺栓连接结构；11-环形压力传感器；12-柔性支架；13-工作台。

图3是螺栓预紧力评估结果与实测数据对比图。

具体实施方式

为使机械装备高性能装配领域技术人员更好地理解本发明技术方案和优点，将结合具体实施例中的附图对本发明作进一步描述。

现有螺栓预紧力评估方法局限于螺栓自身参数，忽略了结构几何尺寸、材料物理属性和薄板形变的影响。本发明实施例提供了一种螺栓预紧力评估方法，其实施流程如图1所示，包括：

步骤1，基于能量法建立螺栓预紧力评估模型。

具体地，以双螺栓连接结构为实施例对象，并将其紧固物理过程等效为数学谱问题；基于能量方程构建螺栓拧紧期间待紧固螺栓弹性势能和薄板重力势能表征模型；参考能量守恒定律，考虑结构几何尺寸和材料物理属性等恒定参数及翘曲位移与角位移等动态参数，建立以下预紧力评估模型

其中，F为螺栓预紧力，E为弹性模量，I为惯性矩，α为角位移，d为测点与拧紧螺栓轴线间距，l

步骤2，获取栓接结构几何尺寸、测点翘曲位移与材料物理属性参数数据。

具体地，螺栓规格为M16，利用游标卡尺测量薄板几何尺寸与螺栓孔轴线距离，应用环形压力传感器测量螺栓预紧力，采用电涡流位移传感器测量薄板测点翘曲位移。

进一步，测点与拧紧螺栓轴线最大间距与螺栓孔轴线距离相等。

进一步，所述测点翘曲位移真值等于待紧固螺栓伸长量与翘曲位移测量值之和，且螺栓伸长量为待紧固螺栓预紧力与其刚度之比。

步骤3，根据位移数据计算薄板翘曲角位移。

具体地，计算测点翘曲位移真值与螺栓孔轴线距离数据比值，基于三角函数关系获得薄板翘曲角位移。

进一步，螺栓预紧力评估模型涉及的参数数据如下表所示。

步骤4，基于所述参数数据、角位移和评估模型确定螺栓预紧力。

待紧固螺栓预紧力及测点翘曲位移具有时变性，为实现实时测量，本发明提供一种螺栓预紧力动态参数测量装置。薄板翘曲位移及螺栓预紧力测量装置示意图如图2所示，包括：

工作台、数显扭矩扳手、固定夹具、螺栓连接结构及测点翘曲位移和螺栓预紧力测量系统；螺栓连接结构置于固接在工作台上的固定夹具中。

进一步，所述测点翘曲位移测量系统包括柔性支架、电涡流位移传感器、LMS系统、供电装置和位移采集软件；柔性支架用以装夹电涡流位移传感器，电涡流位移传感器和供电装置与LMS系统连接，LMS系统将信号输入位移采集软件。

进一步，所述螺栓预紧力测量系统包括环形压力传感器、信号放大器、数据采集卡和预紧力采集软件；环形压力传感器置于螺栓与连接件之间，与信号放大器相连，通过数据采集卡将信号输入预紧力采集软件。

设置螺栓紧固力矩为120Nm，基于6次螺栓紧固实验验证本发明提出的螺栓预紧力评估方法，评估结果与实测数据对比图如图3所示，证明了本发明预紧力评估方法的有效性。

以上实施例及术语仅是对本发明构思作举例描述，不能解释成任何一种附加的限制，本发明所属技术领域的人员可以对所描述的具体实施例进行修改、补充、替代，但都不能偏离本发明的构思或超越所附权利要求书定义的范围。