CN110411746A - 一种剪切销承载分配测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于发动机推力传递结构验证试验领域，特别涉及一种剪切销承载分配测试装置及测试方法；剪切销承载分配测试装置包括测试板，测试板包括：本体部，其侧面上开设有矩形凹槽；以及开设在矩形凹槽处的本体部上是第一剪切销孔、第二剪切销孔、四个连接螺栓孔以及条形通孔，条形通孔在第一剪切销孔竖直顶部位置、水平左右位置以及第二剪切销孔的竖直底部位置、水平左右位置处间断，形成上下各一个、左右各两个的测试梁。本申请的剪切销承载分配测试装置及测试方法，应变输出可根据承载载荷情况，按照灵敏度要求进行调节，提高测试分辨力和测试精度；另外，能够不改变被试结构的基本结构形式，保持对被试结构刚度强度的完整模拟，提高测试准确性。

Description

一种剪切销承载分配测试装置及测试方法

技术领域

本申请属于发动机推力传递结构验证试验领域，特别涉及一种剪切销承载分配测试装置及测试方法。

背景技术

销轴连接结构是一种应用广泛的连接形式，航空发动机与飞机之间的连接结构需要满足结构轻、便于拆卸维护，同时需要保证足够的强度，以保证发动机的可靠连接和安全性。这就需要精确地保证连接结构各部件受力均匀合理，尤其对于承载剪切销，利用多个剪切销，其载荷分配是否合理，是否均匀，是否达到了破损安全结构设计的要求，需要精确的测试每个剪切销的承载载荷，以了解载荷如何在各个剪切销进行分配，为设计提供重要的设计参数。

另外，剪切销通常与连接螺栓组合使用，连接螺栓预紧力对载荷分配产生多大的影响，这都需要一种可靠的测试方法，以便于试验验证。

对于剪切销的剪切载荷测试，现有测试方法分为3种：1)剪切销法，在剪切销上粘贴应变计进行测量；2)连接板法，在连接板上粘贴应变计进行测试；3)剪切销载荷分配测量方法。

对于第1种测试方法，有两个要求必须满足：a)剪切销直径要够大，有足够的有效面积用于粘贴应变计，b)需要测量的剪切载荷方向已知，在测试前要根据剪切载荷的方向，调整好剪切销转动方向的位置，便于获得准确的应变输出值。这就使得剪切销测试方法会受到以上两个方面的限制：即对于较小直径的剪切销就不能适用；另外，对于较为复杂的剪切载荷，如载荷方向未知，则无法测试。

对于第2种测试方法，目前已有的测试方法只针对简单的已知载荷方向的剪切载荷及分配测试，仅针对简单连接(单剪、双剪)结构在单一方向拉伸载荷下的剪切销载荷及其载荷分配的测试，试验的方法是通过测得各截面的应变值，再换算获得载荷分配值。同样无法测试剪切载荷方向未知情况下的剪切载荷；另外，由于采用的是计算法进行标定，其测试结果的准确性不高。

对于第3种剪切销载荷分配测量方法，其解决了不能测量载荷方向未知的剪切载荷，并且给出了有效的系数矩阵测试方法。但仍然存在以下问题：a)在现有的结构上进行贴片测试，没有专门的应变输出结构设计，导致应变输出小，灵敏度低；b)没有测试结果的准确性验证方法和试验装置。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种剪切销承载分配测试装置及测试方法。

第一方面，本申请公开了一种剪切销承载分配测试装置，包括测试板，所述测试板包括：

本体部，所述本体部呈矩形板状，所述本体部的一个侧面上开设有矩形凹槽，所述矩形凹槽位于所述本体部中心位置，且在所述矩形凹槽之外的所述本体部的四周设置有固定孔；

第一剪切销孔和第二剪切销孔，所述第一剪切销孔和第二剪切销孔沿竖直方向开设在所述矩形凹槽处的所述本体部上，且所述本体部竖直方向的中心线同时穿过所述第一剪切销孔和第二剪切销孔的圆心；

四个连接螺栓孔，四个所述连接螺栓孔开设在所述矩形凹槽处的所述本体部上，其中两个与所述第一剪切销孔位于同一水平线上，且在所述第一剪切销孔左右两侧对称分布，另外两个与所述第二剪切销孔位于同一水平线上，且在所述第一剪切销孔左右两侧对称分布；

条形通孔，所述条形通孔开设在所述矩形凹槽处的所述本体部上，所述条形通孔呈矩形分布并包围所述第一剪切销孔、第二剪切销孔以及四个连接螺栓孔，且在所述第一剪切销孔竖直顶部位置、水平左右位置以及所述第二剪切销孔的竖直底部位置、水平左右位置处的所述条形通孔间断，以形成上下各一个、左右各两个的测试梁。

根据本申请的至少一个实施方式，所述的剪切销承载分配测试装置还包括：

连接板，所述连接板呈矩形板状，适配设置在所述本体部的矩形凹槽内，所述连接板上开设有与所述本体部上第一剪切销孔、第二剪切销孔以及四个连接螺栓孔相适配的切销孔和螺栓孔，并分别通过第一剪切销、第二剪切销以及四个连接螺栓进行连接。

根据本申请的至少一个实施方式，所述的剪切销承载分配测试装置还包括：

应变计，所述应变计设置在所述测试梁上，其中

在所述第一剪切销孔顶部的测试梁的左右两侧，各设置两个应变计；

在所述第二剪切销孔底部的测试梁的左右两侧，各设置两个应变计；

在所述第一剪切销孔左右两侧以及在所述第二剪切销孔左右两侧的每个测试梁上，其左右两侧各设置一个应变计。

根据本申请的至少一个实施方式，所述第一剪切销孔底部的测试梁上的四个应变计，其应变输出为ε_1Y；

所述第二剪切销孔顶部的测试梁上的四个应变计，其应变输出为ε_2Y；

在所述第一剪切销孔左右两个测试梁上的四个应变计，其应变输出为ε_1X；

在所述第二剪切销孔左右两个测试梁上的四个应变计，其应变输出为ε2X；其中

所有的应变计输出均采用全桥组桥方式。

根据本申请的至少一个实施方式，所述的剪切销承载分配测试装置还包括作动器，所述作动器的加载端通过力传感器连接标定用加载杆的一端，所述标定用加载杆的另一端用于与所述第一剪切销孔或第二剪切销孔连接，其中，所述作动器作动方向沿所述本体部的竖直方向或水平方向。

第二方面，本申请还公开了一种剪切销承载分配测试方法，包括如下步骤：

步骤一：采用上述第一方面任一项所述的剪切销承载分配测试装置，分别测试相互垂直的两个方向上的应变输出值；

步骤二：对应变输出值进行标定试验标定，确定剪切载荷和应变输出值间的系数矩阵；

步骤三：进行剪切载荷测试，得到应变结果，根据所述系数矩阵变换后得到各个剪切销承载的剪切载荷。

本申请至少存在以下有益技术效果：

本申请的剪切销承载分配测试装置及测试方法，应变输出可根据承载载荷情况，按照灵敏度要求进行调节，提高测试分辨力和测试精度；另外，能够不改变被试结构的基本结构形式，保持对被试结构刚度强度的完整模拟，提高测试准确性。

附图说明

图1是本申请剪切销承载分配测试装置中测试板的主视图；

图2是本申请剪切销承载分配测试装置中测试板的后视图；

图3是本申请剪切销承载分配测试装置中测试板的侧面剖视图；

图4是本申请剪切销承载分配测试装置中测试板与连接板组合后的的主视图；

图5是本申请剪切销承载分配测试装置中剪切销受力分解图；

图6是图4中G-G剖视图；

图7是本申请剪切销承载分配测试装置中测试板应变计布置图；

图8中包括图7中的A-F共计6个方向的剖视图；

图9是全桥组桥方式示意图；

图10是本申请剪切销承载分配测试装置中标定连接方式示意图；

图11是图10中H-H剖视图；

图12是系数矩阵参数获取方法示意图；

图13测试结果准确性验证方法中第一施力方式示意图；

图14测试结果准确性验证方法中第二施力方式示意图；

图15测试结果准确性验证方法中第三施力方式示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

下面结合附图1-图15对本申请的剪切销承载分配测试装置及测试方法进一步详细说明。

本申请公开了一种剪切销承载分配测试装置，可以包括测试板；进一步地，如图1-图3所示，测试板可以包括本体部1、第一剪切销孔12、第二剪切销孔13、连接螺栓孔14以及条形通孔15。

呈矩形板状的本体部1；本体部1的一个侧面上开设有矩形凹槽11，矩形凹槽11位于本体部1中心位置，且在矩形凹槽11之外的本体部1的四周称测试板约束边18，测试板约束边18上开设有固定孔17，用于试验平台固定连接。

第一剪切销孔12和第二剪切销孔13沿竖直方向开设在矩形凹槽11处的本体部1上，且本体部1竖直方向的中心线同时穿过第一剪切销孔12和第二剪切销孔13的圆心。

连接螺栓孔14的数量为四个；四个连接螺栓孔14开设在矩形凹槽11处的本体部1上，其中两个与第一剪切销孔12位于同一水平线上，且在第一剪切销孔12左右两侧对称分布；另外两个与第二剪切销孔13位于同一水平线上，且在第一剪切销孔12左右两侧对称分布。

条形通孔15开设在矩形凹槽11处的本体部1上，条形通孔15呈矩形分布并包围第一剪切销孔12、第二剪切销孔13以及四个连接螺栓孔14，从而形成矩形的连接件模拟部位19；并且，条形通孔15为非连续形通孔，在第一剪切销孔12竖直顶部位置、水平左右位置处，以及第二剪切销孔13的竖直底部位置、水平左右位置处的条形通孔15间断，从使得间断部分的本体部1形成上下各一个、左右各两个的测试梁16，及共计6个测试梁16。其中，连接件模拟部位19可以完全按照实际连接件的结构进行设计，只是需要与测试板约束边18通过测试梁16连接起来，可以采用焊接连接方式或一体化加工，本实施例中优选为一体化加工。

进一步地，本申请的剪切销承载分配测试装置还可以包括连接板2；如图4-图6所示，连接板2呈矩形板状，适配设置在本体部1的矩形凹槽11内；连接板2上开设有与本体部1上第一剪切销孔12、第二剪切销孔13以及四个连接螺栓孔14相适配的切销孔和螺栓孔，并分别通过第一剪切销21、第二剪切销22以及四个连接螺栓23进行连接。

其中，第一剪切销21、第二剪切销22在工作过程中的受力分别为F₁和F₂，见图5中的受力及分解。由于剪切销只承受剪切平面内的力，因此第一剪切销21受力F₁可以分解为F_1X和F_1Y，第二剪切销22的受力F₂可以分解为F_2X和F_2Y。剪切销载荷分配需要测试F_1X、F_1Y、F_2X和F_2Y即可。另外，F_1X+F_2X，即为连接件模拟部位19作为整体结构承担的X方向的载荷；F_1Y+F_2Y，即为连接件模拟部位19作为整体结构承担的Y方向的载荷，这就同时得到连接件模拟部位19承担的其工作面内的力载荷。

进一步地，本申请的剪切销承载分配测试装置还可以包括应变计，应变计设置在测试梁16上；具体地，如图7-图9所示，在第一剪切销孔12底部的测试梁16的左右两侧，各设置两个应变计，使得第一剪切销孔12底部的测试梁16上一共具有四个应变计，同样参见如图8中视图A和B中的布置方式，其应变输出为ε_1Y。

在第二剪切销孔13顶部的测试梁16的左右两侧，各设置两个应变计，使得第二剪切销孔13顶部的测试梁16上一共具有四个应变计，具体参见如图8中视图A和B中的布置方式，其应变输出为ε_2Y。

在第一剪切销孔12左右两侧以及在第二剪切销孔13左右两侧的每个测试梁16上，其左右两侧各设置一个应变计，分别采用视图C、D、E、F的应变计布置方式，应变输出分别为ε1X、ε2X。

另外，上述所有的应变计输出均采用图9所示的全桥组桥方式；当然，在分辨力足够的情况下，以上4种应变计输出也可采用单片或者半桥的方式获取应变计输出。

采用在短梁(即测试梁16)的侧边布置应变计的原因：a)侧边布置应变计不影响与测试板相连的贴合面的状态；b)从受力看，剪切销承载后会使的测试板发生微翘曲，在测试短梁的上下面产生弯矩，但对于侧面来说，其中间属于短梁中性面，此处对于短梁微翘曲来说只有剪应变，无弯曲应变的影响，减少测试的影响因素；c)6个测试梁16主要在测试板面内(X-Y)承受拉压力和弯矩载荷，而弯矩载荷可以通过在两个侧面对称布置应变计而消除。

进一步地，本申请的剪切销承载分配测试装置还可以包括作动器31；作动器31的加载端通过力传感器32连接标定用加载杆33的一端，标定用加载杆33的另一端用于与第一剪切销孔12或第二剪切销孔13连接，其中，作动器31作动方向沿本体部1的竖直方向或水平方向。

综上所述，本申请的剪切销承载分配测试装置，应变输出可根据承载载荷情况，按照灵敏度要求进行调节，提高测试分辨力和测试精度；另外，能够不改变被试结构的基本结构形式，保持对被试结构刚度强度的完整模拟，提高测试准确性。

第二方面，本申请公开了一种剪切销承载分配测试方法，包括如下步骤：

步骤一：采用上述第一方面所述的剪切销承载分配测试装置，分别测试相互垂直的两个方向上的应变输出值，即上述X、Y方向。

步骤二：对应变输出值进行标定试验标定，确定剪切载荷和应变输出值间的系数矩阵。

其中，系数矩阵的确定可以采用目前已知的多种适合的方法；具体地，矩阵如下：

其中，得到系数矩阵就可以根据应变输出，利用公式(2)得到每个剪切销承担的载荷。

进一步地，系数矩阵的获取，可以采用上述标定试验装置获得。

具体地，在进行剪切载荷测试前需要设计标定试验装置进行标定，得到确定系数矩阵所需要的参数。

标定试验装置连接方式见图10-图11所示，标定用加载杆33通过第一剪切销孔12与测试板连接，而通过作动器31和力传感器32组成的加载单元进行加载。通过图12中的4种加载方式，每种加载方式均只加载一个方向的载荷，其他3个方向的载荷为0，则可以得到4组应变输出组成的矩阵和对应所施加的载荷矩阵具体为：

表示为剪切销1在X方向上承担的载荷，表示为该载荷下获得的应变输出值，另三组方程同理。

根据公式(4)组合后得到：

即：

经过运算可得：

通过以上过程即可计算得到系数矩阵即可以开始正式的剪切销载荷分配测试试验。

步骤三：进行剪切载荷测试，得到应变结果，根据系数矩阵变换后得到各个剪切销承载的剪切载荷。

最后，确定了系数矩阵后，还可以通过对剪切销施加合力的方式，可以对系数矩阵方法的准确性进行验证；见图13-图15所示，第一剪切销孔12的加载单元(即作动器31)和第二剪切销孔(13的加载单元同时。

具体的验证方式如下：

对于Y方向载荷测试结果的验证，采用图13的方式，F1Y和F2Y(即上下方向)同时加载，实际加载载荷矩阵为得到响应的应变输入矩阵通过系数矩阵计算得到载荷矩阵即可得到测试结果的误差为

对于X方向，见图14所示，同理也采用相同的方法，得到测试结果误差

另外，也可以进行任意方向的验证，见图15所示。

综上所述，本申请的剪切销承载分配测试方法，应变输出可根据承载载荷情况，按照灵敏度要求进行调节，提高测试分辨力和测试精度；另外，不改变被试结构的基本结构形式，保持对被试结构刚度强度的完整模拟，提高测试准确性；进一步地，验证方法简单易用，便于进行系数矩阵的计算和结果准确性的验证。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种剪切销承载分配测试装置，其特征在于，包括测试板，所述测试板包括：

本体部(1)，所述本体部(1)呈矩形板状，所述本体部(1)的一个侧面上开设有矩形凹槽(11)，所述矩形凹槽(11)位于所述本体部(1)中心位置，且在所述矩形凹槽(11)之外的所述本体部(1)的四周设置有固定孔(17)；

第一剪切销孔(12)和第二剪切销孔(13)，所述第一剪切销孔(12)和第二剪切销孔(13)沿竖直方向开设在所述矩形凹槽(11)处的所述本体部(1)上，且所述本体部(1)竖直方向的中心线同时穿过所述第一剪切销孔(12)和第二剪切销孔(13)的圆心；

四个连接螺栓孔(14)，四个所述连接螺栓孔(14)开设在所述矩形凹槽(11)处的所述本体部(1)上，其中两个与所述第一剪切销孔(12)位于同一水平线上，且在所述第一剪切销孔(12)左右两侧对称分布，另外两个与所述第二剪切销孔(13)位于同一水平线上，且在所述第一剪切销孔(12)左右两侧对称分布；

条形通孔(15)，所述条形通孔(15)开设在所述矩形凹槽(11)处的所述本体部(1)上，所述条形通孔(15)呈矩形分布并包围所述第一剪切销孔(12)、第二剪切销孔(13)以及四个连接螺栓孔(14)，且在所述第一剪切销孔(12)竖直顶部位置、水平左右位置以及所述第二剪切销孔(13)的竖直底部位置、水平左右位置处的所述条形通孔(15)间断，以形成上下各一个、左右各两个的测试梁(16)。

2.根据权利要求1所述的剪切销承载分配测试装置，其特征在于，还包括：

连接板(2)，所述连接板(2)呈矩形板状，适配设置在所述本体部(1)的矩形凹槽(11)内，所述连接板(2)上开设有与所述本体部(1)上第一剪切销孔(12)、第二剪切销孔(13)以及四个连接螺栓孔(14)相适配的切销孔和螺栓孔，并分别通过第一剪切销(21)、第二剪切销(22)以及四个连接螺栓(23)进行连接。

3.根据权利要求2所述的剪切销承载分配测试装置，其特征在于，还包括：

应变计，所述应变计设置在所述测试梁(16)上，其中

在所述第一剪切销孔(12)顶部的测试梁(16)的左右两侧，各设置两个应变计；

在所述第二剪切销孔(13)底部的测试梁(16)的左右两侧，各设置两个应变计；

在所述第一剪切销孔(12)左右两侧以及在所述第二剪切销孔(13)左右两侧的每个测试梁(16)上，其左右两侧各设置一个应变计。

4.根据权利要求3所述的剪切销承载分配测试装置，其特征在于，

所述第一剪切销孔(12)底部的测试梁(16)上的四个应变计，其应变输出为ε_1Y；

所述第二剪切销孔(13)顶部的测试梁(16)上的四个应变计，其应变输出为ε_2Y；

在所述第一剪切销孔(12)左右两个测试梁(16)上的四个应变计，其应变输出为ε_1X；

在所述第二剪切销孔(13)左右两个测试梁(16)上的四个应变计，其应变输出为ε_2X；其中

所有的应变计输出均采用全桥组桥方式。

5.根据权利要求4所述的剪切销承载分配测试装置，其特征在于，还包括作动器(31)，所述作动器(31)的加载端通过力传感器(32)连接标定用加载杆(33)的一端，所述标定用加载杆(33)的另一端用于与所述第一剪切销孔(12)或第二剪切销孔(13)连接，其中，所述作动器(31)作动方向沿所述本体部(1)的竖直方向或水平方向。

6.一种剪切销承载分配测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：采用权利要求1-5任一项所述的剪切销承载分配测试装置，分别测试相互垂直的两个方向上的应变输出值；

步骤二：对应变输出值进行标定试验标定，确定剪切载荷和应变输出值间的系数矩阵；

步骤三：进行剪切载荷测试，得到应变结果，根据所述系数矩阵变换后得到各个剪切销承载的剪切载荷。