CN103353393B - 栓接结合部切向动态特性测试装置、测试方法及预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种栓接结合部切向动态特性测试装置、测试方法及预测方法，该测试装置包括力拉伸试验机、上试件、下试件、螺栓、应变片、电桥、动态应变仪、信号采集系统和计算机；上试件与力拉伸试验机的上夹具固定，下试件与力拉伸试验机的下夹具固定；上试件和下试件通过螺栓固定；延螺栓的螺杆轴线中心处植有应变片，该应变片连接电桥，电桥通过动态应变仪连接信号采集系统；力拉伸试验机的力和位移分别通过力传感器和位移传感器送至信号采集系统；信号采集系统连接计算机，用于将采集的螺栓预紧力、力拉伸试验机的力和位移数据传送给计算机。本装置结构简单、装卸方便，易于重复试验，解决了栓接结合部迟滞非线性特性难以测试的问题。

Description

栓接结合部切向动态特性测试装置、测试方法及预测方法

技术领域

本发明属于机械设计与制造领域，特别涉及一种栓接结合部切向动态特性测试装置、测试方法及预测方法。

背景技术

机械结构是由许多零部件按一定功能要求结合起来的整体，螺栓连接是其中主要形式之一。通过螺栓连接的结构主要由结合面和螺栓连接两部分组成。由于结合面的非线性特性和螺栓连接因间隙、干摩擦、预应力和初始变形等因素产生的非线性，使得螺栓连接结构对整体结构动态性能影响很大，作用机理极其复杂。影响结合面动态特性的因素很多，而且十分复杂，这些因素主要有：结合面材质、结合面的加工方法、结合面的加工质量、结合面的介质状况、结合面预紧力的大小、结合面的动载荷性质和大小、结合面间的相对位移性质、振动频率、螺栓连接等因素。

这么众多的影响因素，再加之它们的影响规律又多为非线性，而且因素间又相互影响，从而无法以理论解析的方法直接确定它们的影响规律和影响程度的大小，必须通过实验研究的方法来予以解决。另外，由于螺栓布置多种多样，难以用试验方法获取所有的螺栓连接结构动态特性。

为了预测不同螺栓布置的螺栓群结构切向动态特性，系统地研究和探明螺栓连接结构切向动态特性与其基本影响因素之间的关系，需要一套完整的测试装置与方法，而目前还没有相关预测螺栓连接结构切向特性的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种栓接结合部切向动态特性测试装置、测试方法及预测方法，以解决上述技术问题。本发明设计一系列螺栓连接试件，通过力拉伸试验机获得四组不同螺栓连接形式、不同预紧力下螺栓连接结构切向动态特性；利用四组基础实验数据和模型，预测不同螺栓布置的螺栓群结构切向动态特性。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

栓接结合部切向动态特性测试装置，包括力拉伸试验机、上试件、下试件、螺栓、应变片、电桥、动态应变仪、信号采集系统和计算机；上试件与力拉伸试验机的上夹具固定，下试件与力拉伸试验机的下夹具固定；上试件和下试件通过螺栓固定；延螺栓的螺杆轴线中心处植有应变片，该应变片连接电桥，电桥通过动态应变仪连接信号采集系统；力拉伸试验机的力和位移分别通过力传感器和位移传感器送至信号采集系统；信号采集系统连接计算机，用于将采集的螺栓预紧力、力拉伸试验机的力和位移数据传送给计算机。

本发明进一步的改进在于：上试件与下试件通过若干螺栓径向连接；上试件与下试件结构尺寸相同，加工方法相同；试件与力拉伸试验机在同一轴对称线上。

本发明进一步的改进在于：所述若干螺栓为一个、两个、三个或四个。

本发明进一步的改进在于：所述上试件和下试件的材料采用Q235-Q235或HT250-HT250或QT600-QT600。

本发明进一步的改进在于：所述上试件和下试件的表面粗糙度为精铣-精铣或磨-磨。

本发明进一步的改进在于：所述上试件和下试件间加20号机械油或不加任何润滑油。

本发明进一步的改进在于：所述螺栓为M16的10.9S级高强度扭剪型螺栓。

栓接结合部切向动态特性测试装置的测试方法，包括：首先将上试件与下试件通过螺栓相连；然后通过力拉伸试验机的下夹具将下试件夹紧，并确保在同一同轴度上，然后将上试件与力拉伸试验机的上夹具相连；将螺栓中的应变片与电桥相连，电桥与动态应变仪相连；设定预紧力，并确保多个螺栓时，各螺栓的预紧力大小相等；确定预紧力之后，设置不同激振频率、相位、相位增角参数，进行力拉伸与压缩试验；分别提取力和位移试验数据，绘制切向动态特性曲线。

本发明进一步的改进在于：包括：获取不同预紧力下、四种不同布置的标准螺栓连接结构的切向动态特性曲线；所述四种不同布置的标准螺栓连接结构为上试件与下试件通过一个螺栓、两个螺栓、三个螺栓、四个螺栓连接形成的标准螺栓连接结构。

一种栓接结合部切向动态特性预测方法，对于不同螺栓布置的螺栓群结构的动态特性，采用获得的四种不同布置的标准螺栓连接结构的切向动态特性进行组合模拟，将对应选取的几种标准螺栓连接结构的切向动态特性进行曲线拟合，从而预测螺栓群结构的切向动态特性。

所述电桥和动态应变仪是用来测试螺栓预紧力的大小，根据高强度螺栓所产生的应变，利用转换曲线将其转换为力。

本发明中，分别设置力控制和位移控制两种类型的参数，研究：（1）预紧力和激励频率相同，激励幅值不同情况下的切向动态特性情况；（2）激励幅值和激励频率相同，预紧力不同情况下的切向动态情况；（3）激励幅值和预紧力相同，激励频率不同情况下的切向动态情况。通过四组螺栓结构在不同情况下的试验研究，获得螺栓连接结构切向动态特性规律。根据规律预测不同螺栓布置的螺栓群结构的动态特性。

相对于现有技术，本发明的优点在于：

（1）从实验装置可看出，测试出来的特性参数仅仅是上下试件之间螺栓连接结构的切向动态特性，减少了测量的物理量的个数，而且采用的是直接测量法。

（2）为了便于对影响螺栓连接结构动态特性的各基本影响因素进行研究，本实验装置结构简单、易于更换、易于定位，能够进行重复试验。

（3）由于仅仅是测试上下试件之间螺栓连接结构的动态特性，所以能够保证螺栓连接结构动态特性从实验装置系统的动特性中较容分离出来。

（4）通过将螺栓中植入应变片的方法，可以方便获取螺栓预紧力的大小，从而能够保证两个螺栓具有相同的预紧力。

（5）基于有限元思想，设计四组不同个数、不同排列方式的螺栓连接结构模型，通过该四组模型的不同组合，可以预测不同螺栓布置的螺栓群结构的动态特性。

本装置设计四组螺栓连接形式，即单螺栓情况、直线型双螺栓情况、三角型三个螺栓情况和矩形四个螺栓情况，针对各种情况分别对螺栓连接结构进行动态特性实验，分别形成四组基础实验数据和模型，根据四组模型的不同组合预测工程实际中不同螺栓布置的螺栓群结构的动态特性。本装置结构简单、装卸方便，易于重复试验，解决了不同布置形式的螺栓群结构切向动态特性难以预测的问题。

附图说明

图1是本发明测试螺栓连接结构切向动态特性的装置原理图。

图2是本试验装置单螺栓连接试件图；其中图2（a）为单螺栓连接试件的正视图，图2（b）为俯视图。

图3是本试验装置双螺栓连接试件图；其中图3（a）为双螺栓连接试件的正视图，图3（b）为俯视图。

图4是本试验装置三个螺栓连接试件图；其中图4（a）为三个螺栓连接试件的正视图，图4（b）为俯视图。

图5是本试验装置四个螺栓连接试件图；其中图5（a）为四个螺栓连接试件的正视图，图5（b）为俯视图。

图6是本试验装置单螺栓连接装配图；其中图6（a）为正视图，图6（b）为俯视图。

图7是本试验装置双螺栓连接装配图；其中图7（a）为正视图，图7（b）为俯视图。

图8是本试验装置三个螺栓连接装配图；其中图8（a）为正视图，图8（b）为俯视图。

图9是本试验装置四个螺栓连接装配图；其中图9（a）为正视图，图9（b）为俯视图。

具体实施方式

以下结合工作原理和结构附图对本发明的预测螺栓群切向动态特性装置作进一步详细说明。

如图1至图9（b）所示，一种预测螺栓群结构切向动态特性的装置，包括力拉伸试验机5、上试件2、下试件4、高强度螺栓3、应变片、电桥、动态应变仪、信号采集系统和计算机。利用力矩扳手将上试件2与力拉伸试验机5的上夹具1固定，下试件4与力拉伸试验机5的下夹具6固定；利用力拉伸试验机5上下夹具装置将试件夹紧，为保证同轴度，先将下试件4夹紧，调节力拉伸试验机5的上夹具1后，将上试件2夹紧；延螺栓3的螺杆轴线中心处植有应变片，该应变片固定在螺栓3内部并引线连接外部的电桥，利用电桥和动态应变仪获得螺栓预紧力的大小；力拉伸试验机5的力和位移分别通过力传感器和位移传感器送至计算机中，从而获取不同预紧力下栓接结合部切向迟滞特性曲线；从而根据迟滞曲线研究栓接结合部的非线性特性。本发明中螺栓3选用M16的10.9S级高强度扭剪型螺栓。

本发明中上试件2和下试件4上可以对应设置一个、两个、三个或四个连接孔；该等连接孔对称以对应试件的中线为中心对称设置；单个连接孔设置于中线上；两个连接孔对称分布于中线两侧；三个连接孔呈等腰三角形排布，一个连接孔排布在中线上，另两个以中线对称排布；四个连接孔呈矩形排布。

测试时，首先将上试件2与下试件4通过高强度螺栓3相连，设定预紧力，并确保多个螺栓时，各螺栓的预紧力大小相等。力拉伸试验机5（MTS）的下夹具将下试件4夹紧，并确保在同一同轴度上，然后将上试件2与力拉伸试验机5的上夹具相连。将高强度螺栓3中的应变片与电桥相连，电桥与动态应变仪相连，通过力矩扳手调节各螺栓预紧力的大小，可以通过计算机调节各螺栓的预紧力大小相等。确定预紧力之后，设置不同激振频率、相位、相位增角参数，进行力拉伸与压缩试验。分别提取力和位移试验数据，分别研究：预紧力和激励频率相同，激励幅值不同情况下的切向动态特性情况；激励幅值和激励频率相同，预紧力不同情况下的切向动态特性情况；激励幅值和预紧力相同，激励频率不同情况下的切向动态特性情况。

利用本发明一种预测螺栓群结构切向动态特性的装置来预测不同螺栓布置下的螺栓群结构的切向动态特性的方法，包括：分别采用位移控制模式和力控制模式，获取不同预紧力下、四种不同布置的螺栓连接结构的切向动态特性曲线；根据不同条件下的试验数据，研究影响螺栓连接结构切向动态特性的主要因素及主要因素对不同布置的螺栓连接结构切向特性影响的规律。对于不同螺栓布置的螺栓群结构的动态特性，采用四种模型的任意组合来进行模拟，达到预测不同布置下螺栓群结构的切向动态特性的目的。利用本装置更换不同的条件（如：试件的材质、结合面的加工方法、结合面的加工质量、结合面的介质状况、结合面间的相对位移性质、整体结构的动载荷性质和大小、振动频率、螺栓预紧力的大小、螺栓的个数、螺栓排列方式、连接的形式等因素）可以做不同条件下的实验，从而获取不同条件下螺栓连接结构切向动态特性，根据实验数据研究影响四组螺栓连接结构切向动态特性的主要因素及主要因素对切向动态特性影响的规律，从而预测不同螺栓布置的螺栓群结构的动态特性。

Claims (6)

1.一种栓接结合部切向动态特性预测方法，其特征在于，对于不同螺栓布置的螺栓群结构的动态特性，采用栓接结合部切向动态特性测试装置的测试方法所获得的四种不同布置的标准螺栓连接结构的切向动态特性进行组合模拟，将对应选取的几种标准螺栓连接结构的切向动态特性进行曲线拟合，预测螺栓群结构的切向动态特性；

所述栓接结合部切向动态特性测试装置的测试方法，包括：首先将上试件(2)与下试件(4)通过螺栓(3)相连；然后通过力拉伸试验机(5)的下夹具将下试件(4)夹紧，并确保在同一同轴度上，然后将上试件(2)与力拉伸试验机(5)的上夹具相连；将螺栓(3)中的应变片与电桥相连，电桥与动态应变仪相连；设定预紧力，并确保多个螺栓时，各螺栓的预紧力大小相等；确定预紧力之后，设置不同激振频率、相位、相位增角参数，进行力拉伸与压缩试验；分别提取力和位移试验数据，绘制切向动态特性曲线；所述测试方法还包括：获取不同预紧力下、四种不同布置的标准螺栓连接结构的切向动态特性曲线；所述四种不同布置的标准螺栓连接结构为上试件(2)与下试件(4)通过一个螺栓、两个螺栓、三个螺栓、四个螺栓连接形成的标准螺栓连接结构；

所述栓接结合部切向动态特性测试装置包括力拉伸试验机(5)、上试件(2)、下试件(4)、螺栓(3)、应变片、电桥、动态应变仪、信号采集系统和计算机；上试件(2)与力拉伸试验机(5)的上夹具(1)固定，下试件(4)与力拉伸试验机(5)的下夹具(6)固定；上试件(2)和下试件(4)通过螺栓(3)固定；延螺栓(3)的螺杆轴线中心处植有应变片，该应变片连接电桥，电桥通过动态应变仪连接信号采集系统；力拉伸试验机(5)的力和位移分别通过力传感器和位移传感器送至信号采集系统；信号采集系统连接计算机，用于将采集的螺栓预紧力、力拉伸试验机(5)的力和位移数据传送给计算机。

2.根据权利要求1所述的一种栓接结合部切向动态特性预测方法，其特征在于，上试件(2)与下试件(4)通过若干螺栓(3)径向连接；上试件(2)与下试件(4)结构尺寸相同，加工方法相同；试件与力拉伸试验机(5)在同一轴对称线上。

3.根据权利要求1所述的一种栓接结合部切向动态特性预测方法，其特征在于，所述上试件(2)和下试件(4)的材料采用Q235-Q235或HT250-HT250或QT600-QT600。

4.根据权利要求1所述的一种栓接结合部切向动态特性预测方法，其特征在于，所述上试件(2)和下试件(4)的表面粗糙度为精铣-精铣或磨-磨。

5.根据权利要求1所述的一种栓接结合部切向动态特性预测方法，其特征在于，所述上试件(2)和下试件(4)间加20号机械油或不加任何润滑油。

6.根据权利要求1所述的一种栓接结合部切向动态特性预测方法，其特征在于，所述螺栓(3)为M16的10.9S级高强度扭剪型螺栓。