CN107576440B - 一种残余应力对切向双螺栓连接结构松弛影响的测量方法 - Google Patents
一种残余应力对切向双螺栓连接结构松弛影响的测量方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种残余应力对切向双螺栓连接结构松弛影响的测量方法，属于机械工程与力学领域。用拉伸试验机夹持不同残余应力螺栓的切向双螺栓连接结构，并给其提供特定的周期、频率以及幅值的交变载荷，随着循环加载，获得力学、位移随时间变化数据，分析获得不同残余应力下切向双螺栓夹紧力的变化，多次重复进行拉伸试验，最终在力学数据和位移数据综合分析下得出精度高，较为准确的不同残余应力下结合面间相对位移变化对切向双螺栓连接结构夹紧力的影响，以及定量阐释残余应力对切向双螺栓连接结构夹紧力的衰减，在拧紧和加载过程中通过两螺栓的预紧力变化和松弛曲线的不同来反映在不同水平残余应力下切向双螺栓连接结构的交互作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种残余应力对切向双螺栓连接结构松弛影响的测量方法，属于机械工程与力学领域。
背景技术
螺栓松弛为具有一定预紧力的螺栓紧固件在交变载荷情况下，其夹紧力下降的过程称为螺栓松弛。螺栓松弛的影响因素繁多，其中重要的影响因素之一是螺栓已加工表面的残余应力影响着螺栓初始预紧力和振动工况下夹紧力的衰减。
螺栓已加工表面质量存在有残余应力，残余应力是一种以平衡状态存在于物体内部的力，同时是一种不稳定的应力状态，当物体受到外力作用时，作用应力与残余应力相互作用，使其某些局部呈现塑性变形，截面内应力重新分配；当外力作用去除后，整个物体由于内部残余应力的作用将发生形变。螺栓已加工表面层的残余应力作为螺栓已加工表面质量一个重要指标，对机械零部件的使用性能有极大的影响。螺栓连接广泛用于机械结构中，它具有结构简单、连接可靠、拆卸方便等优点，且作为重要的连接零部件，螺栓的性能对结构的可靠性和安全性至关重要。由于这些结构在长期的使用过程中,螺栓加工表面的残余应力会发生变化，使具有一定螺栓预紧力的紧固件在交变外力作用下，其预紧力下降而导致螺栓连接件发生松弛，而螺栓紧固件的松动会导致机器设备发生故障，降低设备的使用寿命和可靠性，甚至会发生安全事故，严重威胁人身及财产安全。且在实际应用中，大多数机器的螺栓连接都是成对存在的，很少单个使用。因此，需要通过实验找出残余应力对双螺栓连接结构松弛关系，为螺栓组连接结构的设计、制造、使用提供可靠的实验依据。
目前，螺栓已加工表面的残余应力对双螺栓连接结构夹紧力的影响没有确定的研究方法，需要通过特定的设备、仪器和处理方法来获得残余应力对双螺栓的松弛影响，造成实验数据的波动，精确度不高，同时在实验过程中很少考虑双螺栓的交互作用对螺栓松弛的影响。
基于以上所述，为了解决以上问题且更加系统的研究残余应力对双螺栓连接结构的影响，因此需要一种既能考虑双螺栓连接结构的交互作用的影响，又能定量分析两者关系，且操作简单、测量数据精确和测量精度高的方法来研究螺栓残余应力对双螺栓连接结构夹紧力的影响。
发明内容
本发明为了解决现有方法中操作复杂、测量精度不高以及忽略了双螺栓交互作用的影响和无法定量分析残余应力对双螺栓连接结构松弛之间关系的问题。本发明设计了一种精度高、操作简单不仅能定量分析残余应力对切向双螺栓连接结构夹紧力的衰减来反应双螺栓松弛的影响，而且还考虑了在不同残余应力下两螺栓的交互作用和结合面切向位移变化对切向双螺栓松弛的影响。对同种材料的螺栓通过控制振动台加载试验的时间来控制的残余应力大小，采用X射线残余应力测试仪测量残余应力的大小，获得不同水平下的残余应力螺栓，同时在相同的预紧力和特定幅值的循环交变载荷下，结合拉伸试验机和力学传感器、位移传感器采集的数据，综合分析得出不同水平残余应力对切向双螺栓连接结构夹紧力的影响。
本发明解决问题的具体技术方案为：一种残余应力对切向双螺栓连接结构松弛影响的测量方法，实现该测量方法的测量装置包括：拉伸试验机(1)、切向上连接件(2)、螺栓(3)、压力传感器(4)、切向下连接件(5)、电涡流位移传感器(6)和螺母(7)，对应的传感器数据采集系统和计算机、数显力矩扳手、振动台、X射线残余应力测试仪。通过振动台和X射线残余应力测试仪获得不同大小的残余应力，随后切向组装双螺栓连接件，依次是螺栓(3)、压力传感器(4)、切向上连接件(2)、切向下连接件(5)、螺母(7)。切向上连接件(2)和切向下连接件(5)通过固定尺寸的接触面接触，压力传感器(4)串联在螺栓(3)和切向上连接件(2)侧面之间，压力传感器(4)依次连接数字放大器和数据采集卡，最终数据采集卡将测得的数据实时输出至计算机中，通过计算机的数据采集系统实时监测螺栓夹紧力，获得螺栓夹紧力随着时间变化的F-t曲线。切向上连接件(2)对应侧面有方形带孔薄板，目的是固定位移传感器(6)，并实现上下调节，将位移传感器下端探头安装至距离切向下连接件(5)右侧的方形薄板上端2-3mm处。位移传感器(6)使用LMS数据采集系统进行连接，获得精度较高的振动下不同残余应力下结合面间的位移时间的S-t图。然后对结合面间施加特定的频率、波形和一定幅值的交变载荷进行循环载荷下的拉伸重复试验。
本方法的实施流程如下：采用振动时效法及X射线残余应力测试仪获得同种材料、不同水平残余应力大小的螺栓，将两个相同的实验螺栓(3)分别依次穿过压力传感器(4)、上连接件(2)、下连接件(5)和螺母(7)，随后通过数显扭力扳手对切向双螺栓连接结构施加一定初始预紧力矩拧紧螺栓(3)，重复多次试验，通过两个压力传感器(4)记录计算机显示的预紧力；用拉伸试验机夹持不同残余应力螺栓的切向双螺栓连接结构，并给其提供特定的周期、频率以及幅值的交变载荷，随着循环加载，获得力学、位移随时间变化数据，分析获得不同残余应力下切向双螺栓夹紧力的变化，多次重复进行拉伸试验，最终在力学数据和位移数据综合分析下得出精度高，较为准确的不同残余应力下结合面间相对位移变化对切向双螺栓连接结构夹紧力的影响，以及定量阐释残余应力对切向双螺栓连接结构夹紧力的衰减，乃至双螺栓连接结构松弛的影响规律，且在拧紧和加载过程中通过两螺栓的预紧力变化和松弛曲线的不同来反映在不同水平残余应力下切向双螺栓连接结构的交互作用。
与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果：1)提出了一种残余应力对切向双螺栓连接结构松弛影响的测量方法。其操作简单、精度更高和数据较准确，同时双螺栓切向连接件结构简单，且符合刚度需求，在能够获得实验数据和预期结果的同时没有改动螺栓结构，主要构成部件只有连接件和螺栓螺母。
2)引入振动时效法及X射线测量仪获得的不同水平残余应力的螺栓，在未改变螺栓物化性质的前提下进行试验，与实际应用相符；
3)采用了精度更高的电涡流位移传感器和压力传感器，能够实时输出数据和保存，同时结合拉伸试验机的高精度加载和频率控制，这些都保证数据的精确性，对于后续分析提供了大量的、精确的数据基础，提高了测量的精度。
4)该方法表明了不同残余应力下结合面间相对位移对切向双螺栓连接结构夹紧的关系，说明了不同残余应力下螺栓预紧力的衰减和结合面间位移变化对螺栓松弛的影响。
5)该方法在拧紧和加载过程中通过两螺栓的预紧力变化和松弛曲线的不同来反映在不同水平残余应力下切向双螺栓连接结构的交互作用。
附图说明
图1是本发明涉及的切向双螺栓拉伸试验装置及其附件构成系统图。
图2是本发明涉及的切向双螺栓连接结构剖视图
具体实施方式
步骤一：将同一批次、同种材料的N个螺栓紧固件分为M组，每组n个，依次编号Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、…，且对应切向连接件依次编号为1、2、…，并在实验进行前对其进行超声清洗处理，且N、M、n均为偶数。
步骤二：对固定在振动台上的M组螺栓施加一定幅值激振力和频率的持续振动，间隔相同时间，依次取下一组螺栓，直至所有螺栓全部取下为止。
步骤三；将振动后的M组实验螺栓静置数天，使其残余应力释放。然后按照一定的原则将各组实验螺栓中的每一个螺栓的光杆部位选取4个测试点，通过X射线残余应力测试仪进行残余应力试验，测量每个测点周向和轴向的残余应力大小，并记录，如表1所示。
步骤四：将实验双螺栓3分别依次穿过压力传感器4、上连接件2、下连接件5和螺母7，随后通过数显扭力扳手对切向双螺栓连接结构施加一定初始预紧力矩拧紧螺栓3，首先拧紧第一个螺栓，通过对应的压力传感器4记录计算机显示的预紧力，其次施加相同的预紧力矩拧紧第二个螺栓，同时记录相应压力传感器4显示的预紧力以及其对第一个螺栓的影响，即此时第一个螺栓的预紧力，如表2所示，用不同水平下的残余应力重复多次试验，并记录数据。由于双螺栓连接结构在拧紧过程中存在交互作用，因此在该过程中通过两个压力传感器4的预紧力变化和松弛曲线的不同来反映在不同水平残余应力下切向双螺栓的交互作用
步骤五：按图1所示，连接拉伸试验装置，并且用数显扭力扳手施加一定的预紧力矩，将每组相互对应的螺栓螺母和相同型号的压力传感器依次固定在连接件上。启动拉伸试验机1，进行预热；压力传感器4、数字放大器、数据采集卡和计算机依次连接起来，通过软件设置并将初始值调零；压力传感器4穿在实验双螺栓上；将相同加工表面质量下的切向上连接件2、切向下连接件5，通过螺栓3和螺母7连接起来，使得压力传感器4在螺栓3和切向上连接件2之间形成串联；控制扭矩扳手的不同扭矩来控制螺栓的预紧力，设定螺栓预紧力的初始值，计算机显示的压力传感器4达到相应初始值时停止增大扭矩。将所连接的试件加在拉伸试验机1上，设定加载特定的频率和幅值的循环交变载荷，并设置循环类型(正弦波、方波、锯齿波)和循环周期；开启拉伸试验，并记录压力传感器4输出的F-t曲线图和相应的力-时间二维数据、电涡流位移传感器6输出的S-t曲线和相应的位移-时间二维数据。实验完成后，保存并输出数据；同时在此加载过程也可以通过在两个压力传感器4的预紧力变化和松弛曲线的不同来反映在不同水平残余应力下切向双螺栓的交互作用。
步骤六：多次重复以上实施过程，通过相同的频率、波形、循环交变载荷和螺栓预紧力的情况下，通过对具有不同残余应力的螺栓进行拉伸试验，获得螺栓夹紧力随时间的衰减曲线以及结合面间的位移变化曲线，记录相应数据并保存。
数据分析
试验后获得数据包括：在不同的残余应力情况下，力学信号二维数组F-t，位移信号二维数组S-t。本方法想要获得的几种关系为，在不同残余应力的螺栓进行拉伸试验时，螺栓夹紧力随着循环时间的衰减特性曲线，螺栓松弛过程中结合面位移时间图。通过综合分析，获得在一定预紧力、加工表面参数、加载频率和一定幅值的循环交变载荷下的不同残余应力螺栓对切向双螺栓连接结构夹紧力的衰减，以及在不同残余应力下结合面间相对位移变化对双螺栓连接结构夹紧力的影响，定量分析了不同残余应力下螺栓夹紧力的衰减和结合面间位移变化对螺栓松弛的影响，以及通过在拧紧和加载过程中两个压力传感器的预紧力变化和松弛曲线的不同来反映在不同水平残余应力下切向双螺栓的交互作用。
表1是本发明涉及的螺栓轴向及周向残余应力数值表
表2是本发明涉及的拧紧过程中两螺栓的交互作用表
Claims (2)
1.一种残余应力对切向双螺栓连接结构松弛影响的测量方法，其特征在于：实现该测量方法的测量装置包括：拉伸试验机(1)、切向上连接件(2)、螺栓(3)、压力传感器(4)、切向下连接件(5)、电涡流位移传感器(6)和螺母(7)，对应的传感器数据采集系统和计算机、数显力矩扳手、振动台、X射线残余应力测试仪；通过振动台和X射线残余应力测试仪获得不同大小的残余应力，随后切向组装双螺栓连接件，依次是螺栓(3)、压力传感器(4)、切向上连接件(2)、切向下连接件(5)、螺母(7)；切向上连接件(2)和切向下连接件(5)通过固定尺寸的接触面接触，压力传感器(4)串联在螺栓(3)和切向上连接件(2)侧面之间，压力传感器(4)依次连接数字放大器和数据采集卡，最终数据采集卡将测得的数据实时输出至计算机中，通过计算机的数据采集系统实时监测螺栓夹紧力，获得螺栓夹紧力随着时间变化的F-t曲线；切向上连接件(2)对应侧面有方形带孔薄板，目的是固定位移传感器(6)，并实现上下调节，将位移传感器下端探头安装至距离切向下连接件(5)右侧的方形薄板上端2-3mm处；位移传感器(6)使用LMS数据采集系统进行连接，获得精度较高的振动下不同残余应力下结合面间的位移时间的S-t图；然后对结合面间施加特定的频率、波形和一定幅值的交变载荷进行循环载荷下的拉伸重复试验；
本方法的实施流程如下：采用振动时效法及X射线残余应力测试仪获得同种材料不同水平残余应力大小，将两个相同的实验螺栓(3)分别依次穿过压力传感器(4)、上连接件(2)、下连接件(5)和螺母(7)，随后通过数显扭力扳手对切向双螺栓连接结构施加一定初始预紧力矩拧紧螺栓(3)，重复多次试验，通过两个压力传感器(4)记录计算机显示的预紧力；用拉伸试验机夹持不同残余应力螺栓的切向双螺栓连接结构，并给其提供特定的周期、频率以及幅值的交变载荷，随着循环加载，获得力学、位移随时间变化数据，分析获得不同残余应力下切向双螺栓夹紧力的变化，多次重复进行拉伸试验，最终在力学数据和位移数据综合分析下得出精度高，较为准确的不同残余应力下结合面间相对位移变化对切向双螺栓连接结构夹紧力的影响，以及定量阐释残余应力对切向双螺栓连接结构夹紧力的衰减，乃至双螺栓连接结构松弛的影响规律，且在拧紧和加载过程中通过两螺栓的预紧力变化和松弛曲线的不同来反映在不同水平残余应力下切向双螺栓连接结构的交互作用。
2.根据权利要求1所述的一种残余应力对切向双螺栓连接结构松弛影响的测量方法，其特征在于：步骤一：将同一批次、同种材料的N个螺栓紧固件分为M组，每组n个，依次编号Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、…，且对应切向连接件依次编号为1、2、…，并在实验进行前对其进行超声清洗处理，且N、M、n均为偶数；
步骤二：对固定在振动台上的M组螺栓施加一定幅值激振力和频率的持续振动，间隔相同时间，依次取下一组螺栓，直至所有螺栓全部取下为止；
步骤三：将振动后的M组实验螺栓静置数天，使其残余应力释放；然后按照一定的原则将各组实验螺栓中的每一个螺栓的光杆部位选取4个测试点，通过X射线残余应力测试仪进行残余应力试验，测量每个测点周向和轴向的残余应力大小，并记录；
步骤四：将实验双螺栓(3)分别依次穿过压力传感器(4)、上连接件(2)、下连接件(5)和螺母(7)，随后通过数显扭力扳手对切向双螺栓连接结构施加一定初始预紧力矩拧紧螺栓(3)，首先拧紧第一个螺栓，通过对应的压力传感器(4)记录计算机显示的预紧力，其次施加相同的预紧力矩拧紧第二个螺栓，同时记录相应压力传感器(4)显示的预紧力以及其对第一个螺栓的影响，即此时第一个螺栓的预紧力，用不同水平下的残余应力重复多次试验，并记录数据；由于双螺栓连接结构在拧紧过程中存在交互作用，因此在该过程中通过两个压力传感器(4)的预紧力变化和松弛曲线的不同来反映在不同水平残余应力下切向双螺栓的交互作用
步骤五：连接拉伸试验装置，并且用数显扭力扳手施加一定的预紧力矩，将每组相互对应的螺栓螺母和相同型号的压力传感器依次固定在连接件上；启动拉伸试验机(1)，进行预热；压力传感器(4)、数字放大器、数据采集卡和计算机依次连接起来，通过软件设置并将初始值调零；压力传感器(4)穿在实验双螺栓上；将相同加工表面质量下的切向上连接件(2)、切向下连接件(5)，通过螺栓(3)和螺母(7)连接起来，使得压力传感器(4)在螺栓(3)和切向上连接件(2)之间形成串联；控制扭矩扳手的不同扭矩来控制螺栓的预紧力，设定螺栓预紧力的初始值，计算机显示的压力传感器(4)达到相应初始值时停止增大扭矩；将所连接的试件加在拉伸试验机(1)上，设定加载特定的频率和幅值的循环交变载荷，并设置循环类型和循环周期；开启拉伸试验，并记录压力传感器(4)输出的F-t曲线图和相应的力-时间二维数据、电涡流位移传感器(6)输出的S-t曲线和相应的位移-时间二维数据；实验完成后，保存并输出数据；同时在此加载过程也可以通过在两个压力传感器(4)的预紧力变化和松弛曲线的不同来反映在不同水平残余应力下切向双螺栓的交互作用；
步骤六：多次重复以上实施过程，通过相同的频率、波形、循环交变载荷和螺栓预紧力的情况下，通过对具有不同残余应力的螺栓进行拉伸试验，获得螺栓夹紧力随时间的衰减曲线以及结合面间的位移变化曲线，记录相应数据并保存；
数据分析
试验后获得数据包括：在不同的残余应力情况下，力学信号二维数组F-t，位移信号二维数组S-t；本方法想要获得的几种关系为，在不同残余应力的螺栓进行拉伸试验时，螺栓夹紧力随着循环时间的衰减特性曲线，螺栓松弛过程中结合面位移时间图；通过综合分析，获得在一定预紧力、加工表面参数、加载频率和一定幅值的循环交变载荷下的不同残余应力螺栓对切向双螺栓连接结构夹紧力的衰减，以及在不同残余应力下结合面间相对位移变化对双螺栓连接结构夹紧力的影响，定量分析了不同残余应力下螺栓夹紧力的衰减和结合面间位移变化对螺栓松弛的影响，以及通过在拧紧和加载过程中两个压力传感器的预紧力变化和松弛曲线的不同来反映在不同水平残余应力下切向双螺栓的交互作用。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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