CN111307350B - 一种紧固件应力状态评估方法及检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧固件应力状态评估方法及检测装置，涉及紧固件维护、检测技术领域。本发明的评估方法包括在预设温度下，对紧固件材料进行松弛疲劳交互试验；采集紧固件材料在不同应变幅、不同保持时间条件下对应不同紧固次数的应力值；依据所述数据采集器采集的应力值，获得应力松弛曲线簇；对所述应力松弛曲线簇进行拟合，获得第一应力松弛拟合曲线；依据所述第一应力松弛拟合曲线，获得在所述预设温度下的剩余应力值；依据所述剩余应力值与预设的剩余应力阈值比较，评估所述紧固件在所述剩余应力值条件下的应力状态。本发明解决了现有技术中仅使用单纯高温松弛曲线评估重复紧固的剩余应力不准确的技术问题。

Description

一种紧固件应力状态评估方法及检测装置

技术领域

本发明属于紧固件维护、检测技术领域，特别是涉及一种紧固件应力状态评估方法及检测装置。

背景技术

在一些特殊领域紧固件通常需要在高温下进行服役，例如在汽轮机汽缸阀门、锅炉管道法兰等领域，在这些领域中，由于必须承受较高的工作温度，因此紧固件在服役过程中容易发生应力松弛现象，即剩余应力会持续降低。当剩余应力降低到小于最小密封应力时，将造成密封失效从而引起泄漏。而在重复紧固的过程中也会由于多次再紧固使紧固件的剩余应力难以准确评估，从而导致加载在紧固件上的紧固力超过加载极限从而引发紧固件断裂，引发灾难性事故。

目前通常采用高温单纯松弛试验得到的松弛应力曲线进行紧固件剩余应力评估，实际上多次重复紧固后的应力松弛趋势与单纯应力松弛已有较大不同，紧固次数、已服役时间、再紧固时的初始紧固力或应变量都对紧固件剩余应力有影响，因此使用单纯高温松弛应力曲线进行工程评估并不准确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种紧固件应力状态评估方法及检测装置，解决了现有技术中对于紧固件的剩余应力评估不准确的问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为一种紧固件应力状态评估方法，其至少包括以下步骤：

在预设温度下，对紧固件材料进行不同应变幅、不同保持时间的松弛疲劳交互试验；

通过数据采集器采集紧固件材料在不同应变幅、不同保持时间条件下对应不同紧固次数的应力值；

数据处理器依据所述数据采集器采集的应力值，获得应力松弛曲线簇；

所述数据处理器对所述应力松弛曲线簇进行拟合，获得第一应力松弛拟合曲线；

所述数据处理器依据所述第一应力松弛拟合曲线，获得在所述预设温度下的剩余应力值；

数据评估器依据所述剩余应力值与预设的剩余应力阈值比较，评估所述紧固件在所述剩余应力值条件下的应力状态。

在本发明的一个实施例中，所述第一应力松弛拟合曲线公式为：

σ_r＝A₀-B₀ln(t) 式1)

其中，σ_r为剩余应力值，A₀、B₀为第一拟合参数，t为服役时间。

在本发明的一个实施例中，所述预设温度为所述紧固件的服役温度。

在本发明的一个实施例中，所述剩余应力值的获取方法包括：

采用任一应变幅、任一单次服役时间对所述紧固件进行松弛疲劳交互试验，获得不同紧固次数对应的松弛应力曲线簇。依据所述第一应力松弛拟合曲线，对所获得结果进行拟合，获得第一拟合参数与紧固次数之间的关系式，即：

A₀＝A₁N^α 式2)

B₀＝B₁N^x 式3)

其中，A₁、B₁为第二拟合参数，N为紧固次数，ɑ、x为紧固次数的幂指数。

在本发明的一个实施例中，所述剩余应力值的获取方法还包括：

采用同一应变幅、不同单次服役时间对所述紧固件进行松弛疲劳交互试验，依据所述第一拟合参数与紧固次数之间的关系式，对所获得结果进行拟合，获得第二拟合参数与单次服役时间之间的关系式，即：

A₁＝A₂t_h ^γ 式4)

B₁＝B₂t_h ^z 式5)

其中，A₂、B₂为第三拟合参数，γ、z为单次服役时间的幂指数，t_h为单次服役时间。

在本发明的一个实施例中，所述剩余应力值的获取方法还包括：

采用不同应变幅、不同单次服役时间进行松弛疲劳交互试验，依据所述第二拟合参数与单次服役时间之间的关系式，对所获得结果进行拟合，获得第三拟合参数与应变幅之间的关系式，即：

A₂＝Aε^β 式6)

B₂＝Bε^y 式7)

其中，A、B为第四拟合参数，β、y为应变幅的幂指数。

在本发明的一个实施例中，所述剩余应力值通过以下公式获取：

σ_r＝AN^αε^βt_h ^γ-BN^xε^yt_h ^zln(t) 式8)

在本发明的一个实施例中，所述应变幅采集数量大于3。

在本发明的一个实施例中，所述应变幅ε＝(L-L₀)/L₀，其中L为紧固件拉伸长度，L₀为紧固件原始长度。

本发明还提供一种紧固件应力状态检测装置，其包括：

数据采集器，其用于采集在预设温度下，紧固件在不同应变幅、不同保持时间条件下对应不同紧固次数的应力值；

数据处理器，依据所述数据采集器采集的应力值，获得应力松弛曲线簇，并对所述数据采集器采集的应力松弛曲线簇进行拟合，获得第一应力松弛拟合曲线；依据所述第一应力松弛拟合曲线，获得在所述预设温度下的剩余应力值；

数据评估器，其依据所述预设温度下的剩余应力值，评估所述紧固件在所述剩余应力值条件下的应力状态。

本发明考虑了加载应变幅、紧固次数和已服役时间对重复紧固的紧固件剩余应力的影响，进一步找到各因素之间的影响规律并进行量化处理，具有充分明确的理论依据，解决了现有技术中仅使用单纯高温松弛曲线评估重复紧固的剩余应力不准确的技术问题，本发明提供的剩余应力计算公式可以准确评估目标材料在服役温度下重复紧固后任一时刻的剩余应力。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明评估方法的方法流程图；

图2为本发明评估方法中松弛疲劳交互试验应变控制波形图；

图3为本发明评估方法中的松弛应力曲线簇；

图4为本发明评估方法中k组拟合参数A₁与紧固次数N的拟合曲线；

图5为本发明评估方法中j组拟合参数A₂与单次服役时间t_h的拟合曲线；

图6为本发明评估方法中m组拟合参数A₃与应变幅ε的拟合曲线；

图7为本发明评估方法中剩余应力曲线；

图8为本发明紧固件应力状态检测装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

请一并参阅图1至图7所示，本发明为一种紧固件应力状态评估方法，其至少包括以下步骤：

请一并参阅图1至图7所示，在步骤S1和步骤S2中，对目标材料在预设温度即服役温度条件下进行不同应变幅ε控制的松弛疲劳交互试验，采集数据如下，例如疲劳周次为紧固次数N，每组试验在目标材料拉伸至载荷峰值时分别保载不同时间，此保载时间即可认为是目标材料的单次服役时间t_h，每组试验在目标材料压缩过程中保持时间为0，获取不同应变幅ε条件下、不同单次服役时间t_h对应的不同紧固次数N的应力值。在松弛疲劳交互试验中采集的应变幅ε、单次服役时间t_h、紧固次数N，应尽可能涵盖或接近工程服役的条件数值范围，以确保预测评估的准确性，采集的应变幅数量、单次服役时间数量和紧固次数均应大于3，以便进行数据拟合。在步骤S3中，根据采集的应力值制作应力松弛曲线簇。在步骤4中，对应力松弛曲线簇进行拟合，获得应力松弛拟合曲线。在步骤S5中，对目标材料在某一应变幅、某一单次服役时间及不同的紧固次数下进行松弛疲劳交互试验，获得相应的应力松弛曲线簇，依据应力松弛拟合曲线，对所获得结果进行拟合，获得第一拟合参数与紧固次数之间的关系。再对目标材料在同一应变幅、不同单次服役时间及不同的紧固次数条件下进行松弛疲劳交互试验，获得相应的应力松弛曲线簇，依据所述第一拟合参数与紧固次数之间的关系，对所获得结果进行拟合，获得第二拟合参数与单次服役时间之间的关系。再对目标材料在不同应变幅、不同单次服役时间及不同的的紧固次数条件下进行松弛疲劳交互试验，获得相应的应力松弛曲线簇，依据所述第二拟合参数与单次服役时间之间的关系式，对所获得结果进行拟合，获得第三拟合参数与应变幅之间的关系，将获得的各拟合参数代入应力松弛拟合曲线，获得剩余应力值。在步骤S6中，通过输入应变幅ε、单次服役时间t_h、紧固次数N，可评估对应任一时刻t_h的目标材料剩余应力。设目标材料总的服役时间为t_total，单次服役时间t_h则可近似为总的服役时间t_total/(紧固次数N-1)，则可以评估目标材料在服役过程中重复紧固后任一时刻的剩余应力。

请一并参阅图1至图7所示，具体的，以螺栓为例，通过本发明的紧固件应力状态评估方法对高温服役状态下的螺栓的应力状态进行评估。

请一并参阅图1至图7所示，在步骤S1和步骤S2中，对螺栓在服役温度条件下进行不同应变幅ε控制的松弛疲劳交互试验，采集数据如下，例如疲劳周次为紧固次数N，每组试验在目标材料拉伸至载荷峰值时分别保载不同时间，此单次服役时间即可认为是目标材料的单次服役时间t_h，每组试验在目标材料压缩过程中保持时间为0，获取不同应变幅ε条件下、不同单次服役时间t_h对应的不同紧固次数N的应力值。

请一并参阅图1至图7所示，在步骤S3中，数据处理器通过步骤2中采集到的应力值，获得应力松弛曲线簇。在步骤4中，本实施例中，例如N＝1,2,3,10,20,50，依次对应图3中曲线a-曲线f，选取对数公式对应力松弛曲线簇进行拟合，获得应力松弛拟合曲线为：

σ_r＝A₁-B₁ln(t) 式1)

其中，σ_r为剩余应力值，A₁、B₁为第一拟合参数，t为服役时间。

请一并参阅图1至图7所示，在步骤S5中，对螺栓在某一应变幅ε、某一单次服役时间t_h条件下进行松弛疲劳交互试验，对应获得k组不同紧固次数N在单次服役时间t_h内的松弛应力曲线簇，采用式1)进行拟合，得到k组拟合参数A_1k、B_1k，分别为：

A_1k＝A₂N^α 式2)

B_1k＝B₂N^x 式3)

其中，A₂、B₂为第二拟合参数，N为紧固次数，ɑ、x为紧固次数N的幂指数，作图可见，第二拟合参数与紧固次数N呈幂率关系。

请一并参阅图1至图7所示，在步骤S5中，对螺栓在同一应变幅ε，不同单次服役时间t_h、不同紧固次数N条件下进行j组实验，获得j组松弛应力曲线簇，按照步骤3中的步骤对松弛应力曲线簇进行拟合，分别得到j组拟合参数A_2j、B_2j，分别为：

A_2j＝A₃t_h ^γ 式4)

B_2j＝B₃t_h ^z 式5)

其中，A₃、B₃为第三拟合参数，γ、z为单次服役时间t_h的幂指数，作图可见，第三拟合参数与单次服役时间t_h呈幂率关系。

请一并参阅图1至图7所示，在步骤S5中，对螺栓在不同应变幅ε，不同单次服役时间t_h、不同紧固次数N条件下进行m组实验，获得m组松弛应力曲线簇，参照步骤3和步骤4对m组松弛应力曲线簇进行拟合，分别得到m组拟合参数A_3m、B_3m，分别为：

A_3m＝Aε^β 式6)

B_3m＝Bε^y 式7)

其中，A、B为第四拟合参数，β、y为应变幅的幂指数，作图可见，第四拟合参数与应变幅ε呈幂率关系。

请一并参阅图1至图7所示，在步骤S5中，依次将式6)代入式4)、再代入式2)，再代入式1)；依次将式7)代入式5)、再代入式3)，再代入式1)，得到剩余应力公式：

σ_r＝AN^αε^βt_h ^γ-BN^xε^yt_h ^zln(t) 式8)

请一并参阅图1至图7所示，在步骤S6中，通过以上剩余应力计算公式可以准确评估本实施例中螺栓在服役温度下重复紧固后任一时刻的剩余应力。

请一并参阅图1至图7所示，在剩余应力计算公式中，工程服役的螺栓以螺栓的拉伸长度L确定应变幅，即应变幅ε＝(L-L₀)/L₀，其中L₀为螺栓的原始长度。

请一并参阅图1至图7所示，在上述松弛疲劳交互试验中的k、j和m的数量例如可以大于3，以便有充足的数据进行数据拟合，应变幅ε、单次服役时间t_h、紧固次数N，应尽可能涵盖或接近工程服役的条件数值范围，以确保预测评估的准确性。

请一并参阅图1至图7所示，由于实际服役的螺栓不便于测量两次紧固加载之间的单次服役时间t_h，但可以近似认为单次服役时间t_h等于已服役总时间t_total/(紧固次数N-1)。

请一并参阅图1至图8所示，本发明还提供一种紧固件应力状态检测装置1，其包括：数据采集器2、数据处理器3和数据评估器4。

请一并参阅图1至图8所示，在步骤S1至步骤S4中，数据采集器1用于采集在预设温度下，紧固件的原始长度和拉伸长度、已服役总时间及紧固次数。数据处理器2依据数据采集器1采集的数据计算获得紧固件的应变幅ε及单次服役时间t_h，通过剩余应力公式获得紧固件任一时刻的剩余应力，剩余应力公式为：

σ_r＝AN^αε^βt_h ^γ-BN^xε^yt_h ^zln(t) 式8)

其中的A、B、α、β、γ、x、y、z可通过以下方法获得：

对螺栓在服役温度条件下进行不同应变幅ε控制的松弛疲劳交互试验，采集数据如下，例如疲劳周次为紧固次数N，每组试验在目标材料拉伸至载荷峰值时分别保载不同时间，此单次服役时间即可认为是目标材料的单次服役时间t_h，每组试验在目标材料压缩过程中保持时间为0，获取不同应变幅ε条件下、不同单次服役时间t_h对应的不同紧固次数N的应力松弛曲线簇。

请一并参阅图1至图8所示，选取对数公式对应力松弛曲线簇进行拟合，获得应力松弛拟合曲线为：

σ_r＝A₁-B₁ln(t) 式1)

其中，σ_r为剩余应力值，A₁、B₁为第一拟合参数，t为服役时间。

请一并参阅图1至图8所示，对螺栓在某一应变幅ε、某一单次服役时间t_h条件下进行k组实验，对应获得k组不同紧固次数N，由此实验数据构建的松弛应力曲线簇采用式1)进行拟合，得到k组拟合参数A_1k、B_1k，分别为：

A_1k＝A₂N^α 式2)

B_1k＝B₂N^x 式3)

其中，A₂、B₂为第二拟合参数，N为紧固次数，ɑ、x为紧固次数N的幂指数，作图可见，第二拟合参数与紧固次数N呈幂率关系，在图中可求得幂指数ɑ和x。

请一并参阅图1至图8所示，对螺栓在同一应变幅ε，不同单次服役时间t_h、不同紧固次数N条件下进行j组实验，获得j组松弛应力曲线簇，按照步骤3中的步骤对松弛应力曲线簇进行拟合，分别得到j组拟合参数A_2j、B_2j，分别为：

A_2j＝A₃t_h ^γ 式4)

B_2j＝B₃t_h ^z 式5)

其中，A₃、B₃为第三拟合参数，γ、z为单次服役时间t_h的幂指数，作图可见，第三拟合参数与单次服役时间t_h呈幂率关系，在图中可求得幂指数γ和z。

请一并参阅图1至图8所示，对螺栓在不同应变幅ε，不同单次服役时间t_h、不同紧固次数N条件下进行m组实验，获得m组松弛应力曲线簇，参照步骤3和步骤4对m组松弛应力曲线簇进行拟合，分别得到m组拟合参数A_3m、B_3m，分别为：

A_3m＝Aε^β 式6)

B_3m＝Bε^y 式7)

其中，A、B为第四拟合参数，β、y为应变幅的幂指数，作图可见，第四拟合参数与应变幅ε呈幂率关系，在图中可求得A、B、β和y。

请一并参阅图1至图8所示，在步骤S5中，数据评估器3依据预设温度下的剩余应力值，评估紧固件在此剩余应力值条件下的应力状态。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种紧固件应力状态评估方法，其特征在于，其至少包括以下步骤：

在预设温度下，对紧固件材料进行不同应变幅、不同保持时间的松弛疲劳交互试验；

通过数据采集器采集紧固件材料在不同应变幅、不同保持时间条件下对应不同紧固次数的应力值；

数据处理器依据所述数据采集器采集的应力值，获得应力松弛曲线簇；

所述数据处理器对所述应力松弛曲线簇进行拟合，获得第一应力松弛拟合曲线；

所述数据处理器依据所述第一应力松弛拟合曲线，获得在所述预设温度下的剩余应力值；

数据评估器依据所述剩余应力值与预设的剩余应力阈值比较，评估所述紧固件在所述剩余应力值条件下的应力状态；

其中，所述剩余应力值的获取方法包括：

采用任一应变幅、任一单次服役时间及不同的紧固次数对所述紧固件进行松弛疲劳交互试验，依据所述第一应力松弛拟合曲线，对所获得结果进行拟合，获得第一拟合参数与紧固次数之间的关系式，即：

A₀=A₁N^α 式2)

B₀=B₁N^x 式3)

其中，A₀、B₀为第一拟合参数，A₁、B₁为第二拟合参数，N为紧固次数，ɑ、x为紧固次数的幂指数。

2.根据权利要求1所述一种紧固件应力状态评估方法，其特征在于，所述第一应力松弛拟合曲线公式为：

σ _r=A₀-B₀ln(t) 式1)

其中，σ _r为剩余应力值，A₀、B₀为第一拟合参数，t为服役时间。

3.根据权利要求1所述一种紧固件应力状态评估方法，其特征在于，所述预设温度为所述紧固件的服役温度。

4.根据权利要求1所述一种紧固件应力状态评估方法，其特征在于，所述剩余应力值的获取方法还包括：

采用同一应变幅、不同单次服役时间及不同的紧固次数对所述紧固件进行松弛疲劳交互试验，依据所述第一拟合参数与紧固次数之间的关系式，对所获得结果进行拟合，获得第二拟合参数与单次服役时间之间的关系式，即：

A₁=A₂t_h ^γ 式4)

B₁=B₂t_h ^z 式5)

其中，A₂、B₂为第三拟合参数，γ、z为单次服役时间的幂指数，t_h为单次服役时间。

5.根据权利要求4所述一种紧固件应力状态评估方法，其特征在于，所述剩余应力值的获取方法还包括：

采用不同应变幅、不同单次服役时间及不同的紧固次数进行松弛疲劳交互试验，依据所述第二拟合参数与单次服役时间之间的关系式，对所获得结果进行拟合，获得第三拟合参数与应变幅之间的关系式，即：

A₂=Aε^β 式6)

B₂=Bε^y 式7)

其中，A、B为第四拟合参数，β、y为应变幅的幂指数。

6.根据权利要求5所述一种紧固件应力状态评估方法，其特征在于，所述剩余应力值通过以下公式获取：

σ _r =AN^αε^βt_h ^γ-BN^xε^yt_h ^zln(t) 式8)

其中， A、B为第四拟合参数，N为紧固次数，ɑ、x为紧固次数的幂指数，γ、z为单次服役时间的幂指数，β、y为应变幅的幂指数。

7.根据权利要求1所述一种紧固件应力状态评估方法，其特征在于，所述应变幅采集数量大于3。

8.根据权利要求1所述一种紧固件应力状态评估方法，其特征在于，所述应变幅ε=（L-L₀）/L₀，其中L为紧固件拉伸长度，L₀为紧固件原始长度。

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