CN110987076A - 基于复合螺栓的温度及预紧力实时监测方法 - Google Patents

基于复合螺栓的温度及预紧力实时监测方法 Download PDF

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Abstract

一种基于复合螺栓的温度及预紧力实时监测方法，其特征在于，通过对复合螺栓中的光纤光栅传感器进行标定后安装至待测现场，然后实时测量工作过程中各光纤光栅输出的布拉格波长变化，得到螺栓工作环境的温度、螺栓的杆轴在工作温度下承受的轴力和剪力、螺栓预紧力以及工作温度下的热应力，基于螺栓材料的强度准则实时监测是否发生螺栓连接失效；本发明具有温度适应性好、测量精度高、工作稳定性好、安装使用简单的优点。

Description

基于复合螺栓的温度及预紧力实时监测方法
技术领域
本发明涉及的是一种光纤光栅传感领域的技术，具体是一种基于复合螺栓的温度及预紧力实时监测方法。
背景技术
螺栓连接是最常用的结构连接形式之一，温度效应将导致螺栓杆产生热应力，并影响螺栓连接部位的安全性，监测温度效应下的螺栓杆所受热应力和预紧力对其工作状态的判断更加有效，对螺栓预紧力的施加还具有指导意义。
通过在结构的连接螺栓中分布多个光纤光栅，可以使螺栓同时承担结构连接以及连接处健康监测的功能。由于光纤光栅同时对温度和应变敏感，当温度和应变同时发生变化时，将无法区分由温度和应变分别引起的布拉格波长变化。在工程应用中，温度变化将影响光纤光栅应变测量的精度。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于复合螺栓的温度及预紧力实时监测方法，通过将光纤光栅传感器安装于螺栓内后对光纤光栅传感器进行标定，对标定内容进行计算，从而监测该工况下是否发生螺栓连接失效。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明通过对复合螺栓中的光纤光栅传感器进行标定后安装至待测现场，然后实时测量工作过程中各光纤光栅输出的布拉格波长变化，得到螺栓工作环境的温度、螺栓的杆轴在工作温度下承受的轴力和剪力、螺栓预紧力以及工作温度下的热应力，基于螺栓材料的强度准则实时监测是否发生螺栓连接失效。
所述的复合螺栓包括：螺栓体、与之相连的杆轴和平行设置于杆轴内的四个光1纤光栅传感器，其中：螺栓体和杆轴内设有用于安装光纤光栅传感器的轴向通孔。
所述的轴向通孔共四个且分别位于螺栓体和杆轴的轴线中心以及均布于轴线中心外围。
所述的均布于轴线中心外围的轴向通孔至轴线距离为杆轴半径的一半。
所述的标定是指：温度灵敏系数、温度下的应变灵敏度系数、螺栓杆弯矩与所受剪力的线性相关系数并计算得到光纤光栅传感器的平均应变传递率。
技术效果
能够实现螺栓紧固件在工作条件下实时监测温度变化、温度效应下螺栓杆轴所受轴力以及剪力、螺栓杆所受预紧力、工作温度下的螺栓杆热应力，同时考虑了光纤光栅传感器和胶层、螺栓之间的应变传递率，具有温度适应性好、测量精度高、工作稳定性好、安装使用简单的优点。
附图说明
图1为本发明主视图；
图2为本发明俯视图；
图中：螺栓体1、光纤光栅传感器2、轴向通孔3、杆轴4。
具体实施方式
本实施例涉及一种基于复合螺栓的温度及预紧力实时监测方法，包括以下步骤：
步骤1、在螺栓体1的相应位置打通孔，安装并固定光纤光栅传感器。
如图1所示，为本实施例涉及的一种复合螺栓，包含：螺栓体1、杆轴4和光纤光栅传感器2，其中：螺栓体1和杆轴4内设有轴向通孔3，光纤光栅传感器2设置于轴向通孔3内。
所述的轴向通孔3距离杆轴4的轴线距离为杆轴4半径的一半，轴向通孔3的内径为0.5mm。
所述的四个光纤光栅传感器编号分别为0#、1#、2#、3#，设置于中心的0#用于实时测温，1#、2#、3#实时监测相应位置的轴向应变。
所述的编号0#的通孔灌入导热胶，然后插入光栅，端部用粘接胶封住；编号1#、2#、3#的通孔先插入光栅，然后灌入粘接胶。
步骤2、标定各光纤光栅传感器的温度灵敏系数以及标定温度T0下的应变灵敏度系数，各光纤光栅的温度灵敏系数比记为αT；各光纤光栅应变灵敏度系数记为αε；光纤光栅温度的灵敏系数记为αT。
步骤3、由光纤光栅传感器长度L、胶层剪切模量Gp、光纤的弹性模量Eg、胶层外径rm、光纤外径rg计算获得平均应变传递率
Figure BDA0002324195390000021
其中：系数k的计算公式为
Figure BDA0002324195390000022
胶层与螺栓间的应变传递率用
Figure BDA0002324195390000023
表示，L’是螺栓杆轴长度，系数
Figure BDA0002324195390000024
其中E、G、R分别为螺栓杆的弹性模量、剪切模量以及横截半径，平均应变传递率为α’和α”的乘积。
步骤4、标定螺栓杆轴弯矩与所受剪力的线性相关系数K。
步骤5、实时记录0#、1#、2#、3#光纤光栅的布拉格波长变化，分别记为Δλ0、Δλ1、Δλ2、Δλ3。
步骤6、计算螺栓工作环境与标定环境的温差
Figure BDA0002324195390000031
螺栓工作环境温度为T＝T0+ΔT
步骤7、分别计算螺栓杆在0#、1#、2#、3#位置处的实时工况并根据螺栓材料的强度，监测螺栓连接是否发生失效。
所述的实时工况包括：
①轴向应变
Figure BDA0002324195390000032
Figure BDA0002324195390000033
以及在温度效应下螺栓杆所受轴力FN＝ε0EA，其中E为螺栓杆材料的弹性模量，A为螺栓杆的横截面积。
②螺栓杆在温度效应下所受剪力
Figure BDA0002324195390000034
其中：IZ为螺栓杆横截面对中心轴的惯性矩，R为螺栓杆的横截面半径；
③螺栓杆的轴向热应变εT＝αΔT，其中α表示螺栓杆的轴向热膨胀系数；
④螺栓杆在0#、1#、2#、3#位置处温度补偿后的轴向应变ε0a＝ε0-εT、ε1a＝ε1-εT、ε2a＝ε2-εT、ε3a＝ε3-εT；
⑤螺栓杆所受预紧力的轴力FN0＝ε0aEA和剪力
Figure BDA0002324195390000035
⑥螺栓杆所受热应力σT＝EεT＝EαΔT。
本发明螺栓可同时检测轴力、剪力及温度变化、螺栓杆所受预紧力、工作温度下的螺栓杆热应力。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种基于复合螺栓的温度及预紧力实时监测方法，其特征在于，通过对复合螺栓中的光纤光栅传感器进行标定后安装至待测现场，然后实时测量工作过程中各光纤光栅输出的布拉格波长变化，得到螺栓工作环境的温度、螺栓的杆轴在工作温度下承受的轴力和剪力、螺栓预紧力以及工作温度下的热应力，基于螺栓材料的强度准则实时监测是否发生螺栓连接失效；
所述的复合螺栓包括：螺栓体、与之相连的杆轴和平行设置于杆轴内的四个光纤光栅传感器，其中：螺栓体和杆轴内设有用于安装光纤光栅传感器的轴向通孔。
2.根据权利要求1所述的实时监测方法，其特征是，所述的轴向通孔共四个且分别位于螺栓体和杆轴的轴线中心以及均布于轴线中心外围。
3.根据权利要求1所述的实时监测方法，其特征是，所述的均布于轴线中心外围的轴向通孔至轴线距离为杆轴半径的一半。
4.根据权利要求1所述的实时监测方法，其特征是，所述的标定是指：温度灵敏系数、温度下的应变灵敏度系数、螺栓杆弯矩与所受剪力的线性相关系数并计算得到光纤光栅传感器的平均应变传递率。
5.根据权利要求1所述的实时监测方法，其特征是，具体步骤包括：
步骤1、在螺栓体1的相应位置打通孔，安装并固定光纤光栅传感器，具体为向编号0#通孔灌入导热胶，然后插入光栅，端部用粘接胶封住；编号1#、2#、3#的通孔先插入光栅，然后灌入粘接胶；
步骤2、标定各光纤光栅传感器的温度灵敏系数以及标定温度T0下的应变灵敏度系数，各光纤光栅的温度灵敏系数比记为αT；各光纤光栅应变灵敏度系数记为αε；光纤光栅温度的灵敏系数记为αT；
步骤3、由光纤光栅传感器长度L、胶层剪切模量Gp、光纤的弹性模量Eg、胶层外径rm、光纤外径rg计算获得平均应变传递率
Figure FDA0002324195380000011
其中：系数k的计算公式为
Figure FDA0002324195380000012
胶层与螺栓间的应变传递率用
Figure FDA0002324195380000013
表示，L’是螺栓杆轴长度，系数
Figure FDA0002324195380000021
其中E、G、R分别为螺栓杆的弹性模量、剪切模量以及横截半径，平均应变传递率为α’和α”的乘积；
步骤4、标定螺栓杆轴弯矩与所受剪力的线性相关系数K；
步骤5、实时记录0#、1#、2#、3#光纤光栅的布拉格波长变化，分别记为Δλ0、Δλ1、Δλ2、Δλ3；
步骤6、计算螺栓工作环境与标定环境的温差
Figure FDA0002324195380000022
螺栓工作环境温度为T＝T0+ΔT；
步骤7、分别计算螺栓杆在0#、1#、2#、3#位置处的实时工况并根据螺栓材料的强度，监测螺栓连接是否发生失效。
6.根据权利要求5所述的实时监测方法，其特征是，所述的实时工况包括：
①轴向应变
Figure FDA0002324195380000023
Figure FDA0002324195380000024
以及在温度效应下螺栓杆所受轴力FN＝ε0EA，其中E为螺栓杆材料的弹性模量，A为螺栓杆的横截面积；
②螺栓杆在温度效应下所受剪力
Figure FDA0002324195380000025
其中：IZ为螺栓杆横截面对中心轴的惯性矩，R为螺栓杆的横截面半径；
③螺栓杆的轴向热应变εT＝αΔT，其中α表示螺栓杆的轴向热膨胀系数；
④螺栓杆在0#、1#、2#、3#位置处温度补偿后的轴向应变ε0a＝ε0-εT、ε1a＝ε1-εT、ε2a＝ε2-εT、ε3a＝ε3-εT；
⑤螺栓杆所受预紧力的轴力FN0＝ε0aEA和剪力
Figure FDA0002324195380000026
⑥螺栓杆所受热应力σT＝EεT＝EαΔT。
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