CN108332897B - 一种检测螺栓预紧力高温变化的试验装置 - Google Patents

一种检测螺栓预紧力高温变化的试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种检测螺栓预紧力高温变化的试验装置，包括第一试验件和第二试验件；拉力加载装置、加热器和力传感器；所述的加热器用于对被测螺栓进行加热；所述的力传感器用于检测拉力加载装置的拉力变化；第一试验件一端与第二试验件一端通过被测螺栓连接；将第一试验件另一端和第二试验件另一端分别与拉力加载设备转轴接，第一试验件与拉力加载设备的转轴连接点、第二试验件与拉力加载设备的转轴连接点以及螺栓连接点布置成不在一条直线上。本发明使得可通过拉伸载荷侧面反映螺栓预紧力高温变化，不需使用耐受温度较高的预紧力测试传感器，同时验证了预紧力变化后螺栓连接结构的承载能力。

Description

一种检测螺栓预紧力高温变化的试验装置
技术领域
本发明属于飞机强度试验技术，涉及一种检测螺栓预紧力高温变化的试验装置。
背景技术
目前，机械连接仍然是先进航空航天器最主要的连接方式。可选用的连接方式一般有螺栓连接、铆接、焊接和粘结4种。其中后3种连接方式都属于永久性连接，只有螺栓连接可重复拆卸，是热结构实际应用时不可回避的连接方式。对于高温合金螺栓与C/C、C/SiC等先进复材面板的连接结构，由于高温合金的热膨胀系数比复材大很多，高温环境下由于热失配会造成螺栓预紧力大幅下降。螺栓预紧力下降会导致被连接件滑移、分离或螺栓松脱，不仅会降低连接的强度、刚度及疲劳强度性能，而且直接威胁到热防护面板与主结构连接的可靠性，进而影响到热防护系统的完整性，严重威胁到飞行安全。因此，需要通过试验来验证设计的螺栓连接方案在高温环境下的预紧力变化，进而评估不同类型螺栓、不同连接方案在高温环境下的连接可靠性和承载性能。由于能够直接测试预紧力的传感器在严酷高温环境下极易失效，目前缺乏螺栓预紧力高温变化的地面试验方法。相较于关注螺栓预紧力在高温下的下降幅度多少，工程上更为关注在指定高温环境下预紧力下降后的螺栓连接能否继续满足承载要求，因此定性分析螺栓预紧力高温变化的试验方法也有很大的应用价值。
发明内容
发明目的
本发明创造的目的是提供一种通过特殊的测试原理和加载方案来从侧面定性反映螺栓预紧力高温变化、同时消除试验夹具热膨胀变形对于试验结果影响的试验方法。
发明技术解决方案
为了测得螺栓预紧力高温变化趋势，设计了定性分析螺栓预紧力高温变化的试验装置和方法。主要是是通过下述的技术方案实现的：一种检测螺栓预紧力高温变化的试验装置，试验设备包括第一试验件和第二试验件；拉力加载装置、加热器和力传感器；所述的加热器用于对被测螺栓进行加热；所述的力传感器用于检测拉力加载装置的拉力变化；
第一试验件一端与第二试验件一端通过被测螺栓连接；将第一试验件另一端和第二试验件另一端分别与拉力加载设备转轴接，第一试验件与拉力加载设备的转轴连接点、第二试验件与拉力加载设备的转轴连接点以及螺栓连接点布置成不在一条直线上。
积极效果
该螺栓预紧力高温变化的试验方法具有以下优点：
●特殊的试验件外形设计，使得可通过拉伸载荷侧面反映螺栓预紧力高温变化，不需使用耐受温度较高的预紧力测试传感器，同时验证了预紧力变化后螺栓连接结构的承载能力；
●大变形弹簧加载，消除试验件热膨胀变形对拉伸载荷变化的影响，提供试验件转动空间；
●试验结果易于观察，螺栓预紧力持续下降最终导致试验件发生转动，直至三个螺栓孔共线；
●竖直加载，可通过合理布置传感器位置消除水平加载时试验件自重对拉伸载荷的影响；
●实施简便，成本低廉，可适应不同类型螺栓、不同材料组合的连接方案验证要求。
附图说明
图1螺栓预紧力高温变化测试试验原理
图2螺栓预紧力高温变化定性分析试验方案
具体实施方式
一种检测螺栓预紧力高温变化的试验装置，试验设备包括第一试验件和第二试验件；拉力加载装置、加热器和力传感器；所述的加热器用于对被测螺栓进行加热；所述的力传感器用于检测拉力加载装置的拉力变化；
第一试验件一端与第二试验件一端通过被测螺栓连接；将第一试验件另一端和第二试验件另一端分别与拉力加载设备转轴接，第一试验件与拉力加载设备的转轴连接点、第二试验件与拉力加载设备的转轴连接点以及螺栓连接点布置成不在一条直线上。
通过旋转螺纹杆伸出端上的螺母对试验件施加预拉伸载荷，加到一定数值后停止旋转，利用螺母的自锁作用固定两端位置。对水冷拉板进行通水，防止热量传递到其他夹具和加载框架上。之后利用加热器按照控制命令开始加热，试验过程中通过力传感器采集弹簧上的拉伸载荷变化。试验件发生最大幅度偏转或规定时间内拉伸载荷没有显著变化时可停止试验。容。
试验件外形如图1所示，中央螺栓为考核预紧力变化的螺栓，与之连接的两块搭接板的材料与实际连接时相同，搭接板前后两段为平面，中间段为斜面过渡，试验件两端的螺栓孔与中央螺栓孔不在同一直线上，试验时两端选用非考核用的普通螺栓。试验时，对试验件施加水平方向的拉伸载荷，加到一定载荷后固定加载装置位置以保持当前载荷，由于试验件两端的螺栓孔与安装考核螺栓的中央螺栓孔不在同一直线上，在水平方向拉伸载荷作用下，两板会产生相对中央考核螺栓转动的力矩，当中央考核螺栓预紧力足够时，试验件依靠两板之间的静摩擦力平衡力矩。当中央考核螺栓预紧力下降至两板间的静摩擦力不足以平衡转动力矩时，两板会发生相对中央考核螺栓的转动，由于加载装置位置固定，会抵消加载装置上沿加载方向的部分变形，导致之前施加的拉伸载荷降低。因此拉伸载荷的变化可以反映出螺栓预紧力在加热时的变化情况，进而评估螺栓保持预紧力的性能。试验件的外形设计使得其受拉时螺栓为单剪状态，两板可在各自平面内绕中央螺栓转动。
试验方案如图2所示。螺栓预紧力在高温时的变化趋势是通过拉伸载荷的变化来反映的，如果加载装置上沿加载方向的变形量与试验件沿加载方向的膨胀量相差不大，试验件的膨胀变形会大幅抵消加载装置上的拉伸变形，造成拉伸载荷发生显著下降，而此时的拉伸载荷下降与螺栓预紧力变化无关，因此会对试验结果产生显著干扰。在本发明创造提供的试验方法中，摒弃传统的大刚度、小变形的夹具设计原则，通过采用低刚度、大变形的夹具增大试验装置上的拉伸变形，即利用大变形的弹簧(或橡皮绳等)来施加和维持拉伸载荷。通过预估试验件膨胀变形量(ΔL＝L·α·ΔT，L为试验件长度，α为材料热膨胀系数，ΔT为温度变化)，选用合适劲度系数的弹簧，可使得加至最大载荷时弹簧伸长量达到试验件膨胀变形量的数十倍至上百倍(考虑到试验件转动前后伸长量有限，为便于观察到拉伸载荷的显著变化，弹簧变形也不能过大)，可以有效地降低试验件的膨胀变形对拉伸载荷的影响。同时，大变形的弹簧提供了试验件大幅度转动的空间，当螺栓预紧力下降到不足以平衡转动力矩时，试验件会在拉伸载荷作用下发生转动，直至中央螺栓安装孔与两端螺栓安装孔位于同一直线上，试验过程中拉伸载荷变化更便于观察，并且转动到三个螺栓孔在同一直线的位置后，弹簧仍能保持较好的拉紧状态，传感器采集到的载荷始终为拉力。此外，在冷却过程中试验件的收缩变形也不会对拉伸载荷产生明显影响，减少了试验结果的干扰因素。

Claims (1)

1.一种检测螺栓预紧力高温变化的试验装置，其特征在于：试验装置包括第一试验件和第二试验件、拉力加载装置、加热器和力传感器；所述的加热器用于对被测螺栓进行加热；所述的力传感器用于检测拉力加载装置的拉力变化；
第一试验件一端与第二试验件一端通过被测螺栓连接；将第一试验件另一端和第二试验件另一端分别与拉力加载装置的转轴连接，第一试验件与拉力加载装置的转轴连接点、第二试验件与拉力加载装置的转轴连接点以及被测螺栓连接点布置成不在一条直线上。
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