CN102519648A - 单剪连接结构钉载矢量测量方法和测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明一种单剪连接结构钉载矢量测量方法和测量仪，该测量仪由普通螺栓加工而成，在螺栓与螺栓孔接触面加工四个应变片贴槽，应变片贴槽位置均布在接触面上，位于相互垂直的两条直径的两端。每一应变片贴槽中沿螺栓轴向贴有一应变片组，应变片组由与螺栓轴向成±45°的两片应变片组成。在每个应变片贴槽的上端开有用于引出应变片导线的引线孔，由于应变片贴槽中的两片±45°应变片有一根公共线，所以每个引线孔需引出3根导线，共计12根。将引出的应变片导线接在应变仪上。本发明实现了单剪连接结构钉传载荷大小和方向以及钉轴向力的直接测量，且直接由标准螺栓加工而成，成本低廉，适用范围广泛。

Description

单剪连接结构钉载矢量测量方法和测量仪

技术领域

本发明涉及一种单剪连接结构钉载矢量测量方法和测量仪，更确切的说是一种基于电阻应变测量技术的单剪连接结构钉载矢量测量方法和测量仪，通过对测量仪上多个位置安装的应变片的应变结果进行处理得到钉所受剪力和轴力的方向及大小，属于力和应力的一般计量技术领域。

背景技术

在复杂多钉连接结构中，为优化连接细节设计，保证结构的连接强度，需要研究多钉载荷的分配。钉载分配受到几何尺寸、设计公差等多种因素的影响，除了进行理论计算研究外，还需要进行实际连接结构钉载的试验测试，因此，需要能够直接测量连接结构中每个钉所受的载荷及其方向。

有些国外文献中已提到利用剪切载荷传感器测量单向钉载，但是所提到的钉载测量仪只能测量钉所受的已知单向的剪力。如果此钉连接的两板所受的拉力方向未知，则该国外文献提到的钉载测量仪就失去作用。即使已知拉力方向，该类型的钉载测量仪也要求钉上两应变片贴槽的连线要与拉力方向垂直，否则测量的结果会有很大的误差。不仅如此，该类型的钉载测量仪也无法测量钉所受的预紧力及工作状态下钉所受的轴向载荷。

发明内容

本发明的目的是提供一种单剪连接结构钉载测量方法和测量仪，不仅能够测量单剪连接结构中钉(螺栓)所受剪力的大小和方向，还能够测量钉(螺栓)所受预紧力及工作状态下轴向载荷的大小。

本发明提供的技术方案是：一种单剪连接结构钉载测量仪，由普通螺栓加工而成，在螺栓与螺栓孔接触面加工四个应变片贴槽(如图2中9、10、11、12)，应变片贴槽位置均布在接触面上，位于相互垂直的两条直径的两端。每一应变片贴槽中沿螺栓轴向贴有一应变片组，应变片组由与螺栓轴向成±45°的两片应变片组成。在每个应变片贴槽的上端开有用于引出应变片导线的引线孔，由于应变片贴槽中的两片±45°应变片有一根公共线，所以每个引线孔需引出3根导线，共计12根。将引出的应变片导线接在应变仪上。

我们可以将螺栓受到的剪力、弯矩、扭矩沿正交的y、z方向分解(如图3)，轴力沿螺栓轴向。分别考虑各个方向的载荷对每片应变片的影响，然后将应变片得到的结果叠加。就可以得到一种单剪连接结构钉载矢量测量方法，原理如下：

(1)由于每一片应变片被贴槽的上下槽区均分(如图1中的上槽区7a、下槽区7b)，且上下槽区弯曲的方向总是相反的，所以弯矩在应变片上下部分产生的改变量大小相等，符号相反。对于一片应变片来说，弯矩不会引起应变片的伸长或缩短；

(2)由于应变片贴槽内两应变片方向垂直，扭矩在这两个相互垂直的方向上引起的应变必然是一片应变片伸长，另一应变片则缩短同样的长度。只需把倾斜方向相反的应变片(如图5所示)，即a类与b类应变片的读数相加，就可消去扭矩引起的应变；

(3)由于每个应变片贴槽内应变片与螺栓轴向成±45°，剪力在这两个应变片上引起的剪应变大小相等，符号相反。而且对于相对的应变片贴槽内的应变片则又有如下规律：不同类的(即a类和b类)应变片的剪应变大小方向都相同，同类的(即a类和a类、b类和b类)应变片的剪应变大小相同，符号相反(如图5中，9a和11a的剪应变大小相同，符号相反；9a和11b的剪应变大小方向都相同)；

(4)轴力在每个应变片上都引起相同轴向伸长。

只要把所有的应变片读数相加，便消除了剪力与扭矩的影响，由相应的力学公式就可以求出轴力。先将同一应变片贴槽内的应变片读数相减(消去轴力引起的应变)，此时应保证每个应变片贴槽相减的规律是一样的，比如在应变片贴槽9内是a类应变片读数减b类应变片读数，那么在应变片贴槽11内也应是a类应变片读数减b类应变片读数。然后再将相对贴槽相减后的读数相加(消去扭矩引起的应变)便可得到该方向的剪力引起的应变，由相应的力学公式就可以求出该方向的剪力。

一种单剪连接结构钉载矢量测量方法，具体步骤是：

步骤一：将单剪连接结构钉载矢量测量仪替代需测量载荷处的螺栓，通过改变测量仪上下的垫片大小与数量来保证应变片贴槽被两连接板平分。将12根导线连接在应变仪上，记录应变仪上对应的应变值。

步骤二：将所有的应变片读数相加，便消除了剪力与扭矩的影响，由相应的力学公式就可以求出轴力。

${\mathrm{\ϵ}}_N=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_a^9+{\mathrm{\ϵ}}_b^9+{\mathrm{\ϵ}}_a^{10}+{\mathrm{\ϵ}}_b^{10}+{\mathrm{\ϵ}}_a^{11}+{\mathrm{\ϵ}}_b^{11}+{\mathrm{\ϵ}}_a^{12}+{\mathrm{\ϵ}}_b^{12}}{4k}$ N＝Eε_NA其中ε_N表示螺栓的轴向应变、ε为应变，它的上角标表示应变片贴槽，下脚标表示不同类的(即a或b类)应变片，N为螺栓的轴向力，A为螺栓贴应变片处的横截面积，E为材料的弹性模量。k为常系数，可由实验校正。

步骤三：先将同一贴槽内的应变片读数相减(消去轴力引起的应变)，然后再将相对贴槽相减后的读数相加(消去扭矩引起的应变)便可得到该方向的剪力引起的应变，由相应的力学公式就可以求出该方向的剪力。

${\mathrm{\γ}}_y=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_a^9-{\mathrm{\ϵ}}_b^9+{\mathrm{\ϵ}}_b^{11}-{\mathrm{\ϵ}}_a^{11}}{2}$ F_y＝tGγ_yA

${\mathrm{\γ}}_z=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_b^{10}-{\mathrm{\ϵ}}_a^{10}+{\mathrm{\ϵ}}_a^{12}-{\mathrm{\ϵ}}_b^{12}}{2}$ F_z＝tGγ_zA

$F=\sqrt{F_z^2+F_y^2}$ tanθ＝F_z/F_y θ＝arctan(F_z/F_y)

其中γ_y、γ_z分别为y、z方向的切应变，Fy、Fz分别为y、z方向剪力，F为合剪力的大小，G为切变模量，A为螺栓贴应变片处的横截面积，t为常系数，可由实验校正，θ为合剪力与y轴的夹角。

本发明一种单剪连接结构钉载矢量测量方法和测量仪，其优点及功效在于实现了单剪连接结构钉传载荷大小和方向以及钉轴向力的直接测量，且直接由标准螺栓加工而成，成本低廉，适用范围广泛。

附图说明.

图1是单剪连接结构矢量测量仪的结构图。

图2是单剪连接结构钉载矢量测量仪工作状态的剖视图。

图3是应变片贴槽处螺栓的横截面图。

图4是单剪连接结构钉载矢量测量仪工作状态的俯视图。

图5是应变片贴槽的展开图。

图中：1a、螺栓，1b、螺母，2、应变片引线，3、垫片，4、单剪结构中的上板，5、单剪结构中的下板，6、应变片组，7a、上槽区，7b、下槽区，8、引线孔，7、9、10、11、12应变片贴槽，

9a、9b为应变片贴槽9中的应变片；10a、10b为应变片贴槽10中的应变片；11a、11b为应变片贴槽11中的应变片；12a、12b为应变片贴槽12中的应变片；数字后带a的在说明书中称为a类应变片，数字后带b的在说明书中称为b类应变片。

图4中FS的方向是任意未知的。

图5将螺栓沿圆周方向展开，因为应变片贴槽均布在螺栓表面，故每隔90°就有两个应变片。其中0°和360°重合，应变片为同一组。9a、9b为应变片贴槽9中的应变片。10a、10b为应变片贴槽10中的应变片。11a、11b为应变片贴槽11中的应变片。12a、12b为应变片贴槽12中的应变片。数字后带a的在说明书中称为a类应变片，数字后带b的在说明书中称为b类应变片。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1至图5所示，本发明一种单剪连接结构钉载测量仪，由普通螺栓加工而成，在螺栓与螺栓孔接触面加工四个应变片贴槽(如图2中9、10、11、12)，应变片贴槽位置均布在接触面上，位于相互垂直的两条直径的两端。每一应变片贴槽中沿螺栓轴向贴有一应变片组，应变片组由与螺栓轴向成±45°的两片应变片组成。在每个应变片贴槽的上端开有用于引出应变片导线的引线孔，由于应变片贴槽中的两片±45°应变片有一根公共线，所以每个引线孔需引出3根导线，共计12根。将引出的应变片导线接在应变仪上。

我们可以将螺栓受到的剪力、弯矩、扭矩沿正交的y、z方向分解(如图3)，轴力沿螺栓轴向。分别考虑各个方向的载荷对每片应变片的影响，然后将应变片得到的结果叠加。就可以得到一种单剪连接结构钉载矢量测量方法，原理如下：

(1)由于每一片应变片被贴槽的上下槽区均分(如图1中的上槽区7a、下槽区7b)，且上下槽区弯曲的方向总是相反的，所以弯矩在应变片上下部分产生的改变量大小相等，符号相反。对于一片应变片来说，弯矩不会引起应变片的伸长或缩短；

(2)由于应变片贴槽内两应变片方向垂直，扭矩在这两个相互垂直的方向上引起的应变必然是一片应变片伸长，另一应变片则缩短同样的长度。只需把倾斜方向相反的应变片(如图5所示)，即a类与b类应变片的读数相加，就可消去扭矩引起的应变；

(3)由于每个应变片贴槽内应变片与螺栓轴向成±45°，剪力在这两个应变片上引起的剪应变大小相等，符号相反。而且对于相对的应变片贴槽内的应变片则又有如下规律：不同类的(即a类和b类)应变片的剪应变大小方向都相同，同类的(即a类和a类、b类和b类)应变片的剪应变大小相同，符号相反(如图5中，9a和11a的剪应变大小相同，符号相反；9a和11b的剪应变大小方向都相同)；

(4)轴力在每个应变片上都引起相同轴向伸长。

只要把所有的应变片读数相加，便消除了剪力与扭矩的影响，由相应的力学公式就可以求出轴力。先将同一应变片贴槽内的应变片读数相减(消去轴力引起的应变)，此时应保证每个应变片贴槽相减的规律是一样的，比如在应变片贴槽9内是a类应变片读数减b类应变片读数，那么在应变片贴槽11内也应是a类应变片读数减b类应变片读数。然后再将相对贴槽相减后的读数相加(消去扭矩引起的应变)便可得到该方向的剪力引起的应变，由相应的力学公式就可以求出该方向的剪力。

一种单剪连接结构钉载矢量测量方法，具体如下：

1.根据测量仪的使用环境，选择相应的螺栓进行加工。

2.根据应变片组的大小在螺栓上加工出四个应变片组贴槽9、10、11、12，如图3所示，避免尖角。贴槽深度应保证应变片不与连接板接触，使应变片组受挤压所产生的影响降低。贴槽应尽量被两连接板等分。

3.根据应变片引线2的粗细，在应变片贴槽上端加工一个可以允许三条应变片引线2穿过的引线孔8。在应变片贴槽中部粘贴应变片组使得应变片被上槽区7a和下槽区7b均分，如图1、图2所示，将应变片引线2从引线孔8引出。每个应变片组的两个应变片的实际方向分别与螺栓轴向成+45°和-45°(应变片组方向螺栓沿轴向，见图5)。

4.测量钉载时，使用单剪连接结构钉载矢量测量仪替代原螺栓，保证应变片贴槽被两连接板平分，应变片也被两连接板平分。如果板的厚度有变化，则可通过改变测量仪上下的垫片大小与数量来达到此目的。

5.将12根导线连接在应变仪上，记录应变仪上对应的应变值，由相应的力学公式就可算出y、z方向的剪力，并求出其合剪力的大小与方向。轴力亦可由相应力学公式算出。具体操作如下：

(1)将所有的应变片读数相加，便消除了剪力与扭矩的影响，由相应的力学公式就可以求出轴力。

${\mathrm{\ϵ}}_N=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_a^9+{\mathrm{\ϵ}}_b^9+{\mathrm{\ϵ}}_a^{10}+{\mathrm{\ϵ}}_b^{10}+{\mathrm{\ϵ}}_a^{11}+{\mathrm{\ϵ}}_b^{11}+{\mathrm{\ϵ}}_a^{12}+{\mathrm{\ϵ}}_b^{12}}{4k}$ N＝Eε_NA其中ε_N表示螺栓的轴向应变、ε为应变，它的上角标表示应变片贴槽，下脚标表示不同类的(即a或b类)应变片，N为螺栓的轴向力，A为螺栓贴应变片处的横截面积，E为材料的弹性模量。k为常系数，可由实验校正。

(2)先将同一贴槽内的应变片读数相减(消去轴力引起的应变)，然后再将相对贴槽相减后的读数相加(消去扭矩引起的应变)便可得到该方向的剪力引起的应变，由相应的力学公式就可以求出该方向的剪力。

${\mathrm{\γ}}_y=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_a^9-{\mathrm{\ϵ}}_b^9+{\mathrm{\ϵ}}_b^{11}-{\mathrm{\ϵ}}_a^{11}}{2}$ F_y＝tGγ_yA

${\mathrm{\γ}}_z=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_b^{10}-{\mathrm{\ϵ}}_a^{10}+{\mathrm{\ϵ}}_a^{12}-{\mathrm{\ϵ}}_b^{12}}{2}$ F_z＝tGγ_zA

$F=\sqrt{F_z^2+F_y^2}$ tanθ＝F_z/F_y θ＝arctan(F_z/F_y)

其中γ_y、γ_z分别为y、z方向的切应变，Fy、Fz分别为y、z方向剪力，F为合剪力的大小，G为切变模量，A为螺栓贴应变片处的横截面积，t为常系数，可由实验校正，θ为合剪力与y轴的夹角。

Claims (2)

1.一种单剪连接结构钉载测量仪，其特征在于：该测量仪由普通螺栓加工而成，在螺栓与螺栓孔接触面加工四个应变片贴槽，应变片贴槽位置均布在接触面上，位于相互垂直的两条直径的两端；每一应变片贴槽中沿螺栓轴向贴有一应变片组，应变片组由与螺栓轴向成±45°的两片应变片组成；在每个应变片贴槽的上端开有用于引出应变片导线的引线孔，由于应变片贴槽中的两片±45°应变片有一根公共线，所以每个引线孔需引出3根导线，共计12根；将引出的应变片导线接在应变仪上。

2.一种单剪连接结构钉载矢量测量方法，其特征在于：该方法的具体步骤是：

步骤一：将单剪连接结构钉载矢量测量仪替代需测量载荷处的螺栓，通过改变测量仪上下的垫片大小与数量来保证应变片贴槽被两连接板平分；将12根导线连接在应变仪上，记录应变仪上对应的应变值；

步骤二：将所有的应变片读数相加，便消除了剪力与扭矩的影响，由相应的力学公式就可以求出轴力：

${\mathrm{\ϵ}}_N=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_a^9+{\mathrm{\ϵ}}_b^9+{\mathrm{\ϵ}}_a^{10}+{\mathrm{\ϵ}}_b^{10}+{\mathrm{\ϵ}}_a^{11}+{\mathrm{\ϵ}}_b^{11}+{\mathrm{\ϵ}}_a^{12}+{\mathrm{\ϵ}}_b^{12}}{4k}$ N＝Eε_NA其中ε_N表示螺栓的轴向应变、ε为应变，它的上角标表示应变片贴槽，下脚标表示不同类的应变片即a类或b类应变片，N为螺栓的轴向力，A为螺栓贴应变片处的横截面积，E为材料的弹性模量；k为常系数，由实验校正；

步骤三：先将同一贴槽内的应变片读数相减，然后再将相对贴槽相减后的读数相加便可得到该方向的剪力引起的应变，由相应的力学公式就可以求出该方向的剪力：

${\mathrm{\γ}}_y=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_a^9-{\mathrm{\ϵ}}_b^9+{\mathrm{\ϵ}}_b^{11}-{\mathrm{\ϵ}}_a^{11}}{2}$ F_y＝tGγ_yA

${\mathrm{\γ}}_z=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_b^{10}-{\mathrm{\ϵ}}_a^{10}+{\mathrm{\ϵ}}_a^{12}-{\mathrm{\ϵ}}_b^{12}}{2}$ F_z＝tGγ_zA

$F=\sqrt{F_z^2+F_y^2}$ tanθ＝F_z/F_y θ＝arctan(F_z/F_y)

其中γ_y、γ_z分别为y、z方向的切应变，Fy、Fz分别为y、z方向剪力，F为合剪力的大小，G为切变模量，A为螺栓贴应变片处的横截面积，t为常系数，由实验校正，θ为合剪力与y轴的夹角。

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