CN114354046A - 一种同时测量螺栓轴力与弯曲应力的装置和方法 - Google Patents

一种同时测量螺栓轴力与弯曲应力的装置和方法 Download PDF

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Abstract

一种同时测量螺栓轴力与弯曲应力的装置和方法，包括测试螺栓，螺栓在螺头端面沿着螺栓的轴向设有盲孔，盲孔远离螺头端面的一端倾斜的设有三个通孔，相邻通孔之间为120°，螺栓圆周面靠近通孔处设有用于布置应变片的环形槽。本发明的同时测量螺栓轴力与弯曲应力的装置和方法，在螺栓上加工处贴片区域，在贴片区域沿圆周120度方向粘贴应变片，通过惠斯通电桥分别测量三个应变片应变，在测量螺栓轴向应力的同时，还能计算出螺栓的弯曲应力，加强了螺栓测力的全面性，同时操作简单，测试结果准确性高。

Description

一种同时测量螺栓轴力与弯曲应力的装置和方法
技术领域
本发明涉及螺栓稳定性测量技术领域，具体是一种同时测量螺栓轴力与弯曲应力的装置和方法。
背景技术
螺栓对整个大型结构起着非常重要的作用，当大型结构发生形变时，这些固定各部件的螺栓所承载的应力将最先发生变化，所以螺栓预紧力的检测是十分重要的；现有测力螺栓一般通过螺栓中间插入传感器来计算轴向应力，而这种螺栓仅仅只能测量螺栓的轴向应力，无法计算因撬动载荷引起的螺栓弯曲应力。
应力：物体因外力作用下产生的抵抗变形的力称为内力，单位面积上的内力称为应力；
应变：物体在外力等因素下物体局部的相对变形；
中性层：既不受拉又不受压的过渡层；
中性轴：中性层与横截面的交线；
应变片：由敏感栅等构成的测量应变的元件；
惠斯通电桥：一种可以精确测量电阻的仪器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术之不足，提供一种方便操作、效果良好的同时测量螺栓轴力与弯曲应力的装置和方法。本发明是以如下技术方案实现的：一种同时测量螺栓轴力与弯曲应力的装置，包括测试螺栓，所述螺栓在螺头端面沿着螺栓的轴向设有盲孔，所述盲孔远离螺头端面的一端倾斜的设有三个通孔，相邻通孔之间为120°，所述螺栓圆周面靠近通孔处设有用于布置应变片的环形槽。
其进一步是：所述通孔与螺栓的轴向之间的倾斜角为45°。
所述环形槽位于螺栓的螺纹啮合区域上方。
所述环形槽的槽底直径与螺栓的螺纹小径相同。
所述盲孔的直径约为3mm，所述通孔的直径约为2mm，所述环形槽的槽宽约为12mm。
一种同时测量螺栓轴力与弯曲应力的方法，包括如下步骤：
S1、在环形槽内沿着圆周方向布置有三个应变片，三个所述应变片间呈120°分布；
S2、采用1/4桥路接入惠斯通电桥，将三个所述应变片分别接入三组桥路中；
S3、螺栓的轴向应力和弯曲应力的计算方法如下：
根据惠斯通桥路联接方式求出待测应变片应变：
Figure BDA0003449320370000021
其中：U0为桥路两端电压，U为测量电压，K为应变片灵敏度系数，ε为轴向应变，三个所述应变片应变分别设为ε0、ε120、ε240，螺栓的轴向应变ε为：
Figure BDA0003449320370000022
螺栓的轴向应力σ和残余预紧力F分别为：
σ＝Eε
F＝σA
其中，E为螺栓杨氏模量，A为贴应变片处螺栓横截面积；
根据螺栓的轴向应变，求出各个应变片因弯矩引起的弯曲应变为：
ε0′＝ε0-ε
ε120′＝ε120-ε
ε240′＝ε240-ε
选取ε0′、ε120′、ε240′中异号的两个应变，假设ε0′、ε120′异号，则求出弯矩引起的螺栓处最大的弯曲应变为：
Figure BDA0003449320370000031
或
Figure BDA0003449320370000032
此时最大弯曲应力为：σbmax＝Eεbmax；
步骤S1中，所述应变片的引线通过通孔和盲孔引出。
步骤S2中，R1为待测应变片，R2、R3、R4为标准电阻。
步骤S3中，ε0′、ε120′异号，则中性层位于0°及120°应变片中间，
根据材料力学弯曲应变与弯矩的关系
Figure BDA0003449320370000033
其中，M为弯矩，y为距中性层距离，Iz为横截面对中性轴的惯性矩，则ε0′、ε120′及εbmax分别为：
Figure BDA0003449320370000034
Figure BDA0003449320370000035
Figure BDA0003449320370000036
其中θ1和θ2分别为0°及120°应变片与圆心连线与中性轴的夹角，且θ1+θ2＝120，求出
Figure BDA0003449320370000037
Figure BDA0003449320370000038
同理可以求出：
Figure BDA0003449320370000041
则求出弯矩引起的螺栓处最大的弯曲应变为：
Figure BDA0003449320370000042
或
Figure BDA0003449320370000043
本发明具有以下优点：本发明的同时测量螺栓轴力与弯曲应力的装置和方法，在螺栓上加工处贴片区域，在贴片区域沿圆周120度方向粘贴应变片，通过惠斯通电桥分别测量三个应变片应变，在测量螺栓轴向应力的同时，还能计算出螺栓的弯曲应力，加强了螺栓测力的全面性，同时操作简单，测试结果准确性高。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的应变片的桥路联接示意图；
图3是本发明的螺栓应力截面示意图；
图中：1、盲孔，2、通孔，3、环形槽，4、应变片。
具体实施方式
如图1至图3所示的一种同时测量螺栓轴力与弯曲应力的装置，包括测试螺栓，所述螺栓在螺头端面沿着螺栓的轴向设有盲孔1，所述盲孔1远离螺头端面的一端倾斜的设有三个通孔2，相邻通孔2之间为120°，所述螺栓圆周面靠近通孔2处设有用于布置应变片4的环形槽3。所述通孔2与螺栓的轴向之间的倾斜角为45°。所述环形槽3位于螺栓的螺纹啮合区域上方。所述环形槽3的槽底直径与螺栓的螺纹小径相同。所述盲孔1的直径约为3mm，所述通孔2的直径约为2mm，所述环形槽3的槽宽约为12mm。本发明的同时测量螺栓轴力与弯曲应力的装置，在测量之前对螺栓进行加工以满足测量的需要，由螺栓的螺头端面沿着螺栓的轴向设有盲孔，盲孔的直径约为3mm，由盲孔的内侧端部朝远离盲孔1的方向倾斜45°设有直径约为2mm的通孔，即通孔与螺栓的轴向成45°夹角，沿着螺栓的圆周方向设有三个通孔，三个所述通孔2间呈120°分布；螺栓圆周面靠近通孔处设有用于布置应变片的环形槽，环形槽位于螺栓的螺纹啮合区域上方，且环形槽的槽底直径与螺栓的螺纹小径相等，环形槽的槽宽约为12mm以满足贴片所需要的空间。
一种同时测量螺栓轴力与弯曲应力的方法，包括如下步骤：
S1、在环形槽3内沿着圆周方向布置有三个应变片4，三个所述应变片4间呈120°分布；且每一片应变片4对应一个通孔2进行设置；所述应变片4的引线通过通孔2和盲孔1引出；
S2、采用1/4桥路接入惠斯通电桥，将三个所述应变片分别接入三组桥路中；R1为待测应变片，R2、R3、R4为标准电阻；将三个所述应变片4分别接入三组桥路中；
S3、螺栓的轴向应力和弯曲应力的计算方法如下：
根据惠斯通桥路联接方式求出待测应变片应变：
Figure BDA0003449320370000051
其中：U0为桥路两端电压，U为测量电压，K为应变片灵敏度系数，ε为轴向应变，三个所述应变片应变分别设为ε0、ε120、ε240，螺栓的轴向应变ε为：
Figure BDA0003449320370000061
螺栓的轴向应力σ和残余预紧力F分别为：
σ＝Eε
F＝σA
其中，E为螺栓杨氏模量，A为贴应变片处螺栓横截面积；
根据螺栓的轴向应变，求出各个应变片因弯矩引起的弯曲应变为：
ε0′＝ε0-ε
ε120′＝ε120-ε
ε240′＝ε240-ε
选取ε0′、ε120′、ε240′中异号的两个应变，求解弯矩引起的螺栓处最大的弯曲应变。假设ε0′、ε120′异号，如图3所示，则中性层位于0°及120°应变片中间；
根据材料力学弯曲应变与弯矩的关系
Figure BDA0003449320370000062
其中，M为弯矩，y为距中性层距离，Iz为横截面对中性轴的惯性矩，则ε0′、ε120′及εbmax分别为：
Figure BDA0003449320370000063
Figure BDA0003449320370000064
Figure BDA0003449320370000065
其中θ1和θ2分别为0°及120°应变片与圆心连线与中性轴的夹角，且θ1+θ2＝120，求出
Figure BDA0003449320370000066
Figure BDA0003449320370000067
同理可以求出：
Figure BDA0003449320370000071
则求出弯矩引起的螺栓处最大的弯曲应变为：
Figure BDA0003449320370000072
或
Figure BDA0003449320370000073
同理，当ε0′、ε240′异号或ε120′、ε240′异号时，将相应的数值代入上述公式即可。
此时最大弯曲应力为：σbmax＝Eεbmax。
本发明的一种同时测量螺栓轴向应力与弯曲应力的装置和方法，通过螺栓加工，在螺栓表面沿圆周120°方向粘贴应变片，通过惠斯通电桥分别测量三个应变片应变，同时求出螺栓的轴向应力和弯曲应力。

Claims (9)

1.一种同时测量螺栓轴力与弯曲应力的装置，其特征在于：包括测试螺栓，所述螺栓在螺头端面沿着螺栓的轴向设有盲孔(1)，所述盲孔(1)远离螺头端面的一端倾斜的设有三个通孔(2)，相邻通孔(2)之间为120°，所述螺栓圆周面靠近通孔(2)处设有用于布置应变片(4)的环形槽(3)。
2.如权利要求1所述的一种同时测量螺栓轴力与弯曲应力的装置，其特征在于：所述通孔(2)与螺栓的轴向之间的倾斜角为45°。
3.如权利要求1所述的一种同时测量螺栓轴力与弯曲应力的装置，其特征在于：所述环形槽(3)位于螺栓的螺纹啮合区域上方。
4.如权利要求1所述的一种同时测量螺栓轴力与弯曲应力的装置，其特征在于：所述环形槽(3)的槽底直径与螺栓的螺纹小径相同。
5.如权利要求1所述的一种同时测量螺栓轴力与弯曲应力的装置，其特征在于：所述盲孔(1)的直径约为3mm，所述通孔(2)的直径约为2mm，所述环形槽(3)的槽宽为12mm。
6.一种使用权利要求1所述的同时测量螺栓轴力与弯曲应力的装置的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、在环形槽(3)内沿着圆周方向布置有三个应变片(4)，三个所述应变片(4)间呈120°分布；
S2、采用1/4桥路接入惠斯通电桥，将三个所述应变片分别接入三组桥路中；
S3、螺栓的轴向应力和弯曲应力的计算方法如下：
根据惠斯通桥路联接方式求出待测应变片应变：
Figure FDA0003449320360000021
其中：U0为桥路两端电压，U为测量电压，K为应变片灵敏度系数，ε为轴向应变，三个所述应变片应变分别设为ε0、ε120、ε240，螺栓的轴向应变ε为：
Figure FDA0003449320360000022
螺栓的轴向应力σ和残余预紧力F分别为：
σ＝Eε
F＝σA
其中，E为螺栓杨氏模量，A为贴应变片处螺栓横截面积；
根据螺栓的轴向应变，求出各个应变片因弯矩引起的弯曲应变为：
ε0′＝ε0-ε
ε120′＝ε120-ε
ε240′＝ε240-ε
选取ε0′、ε120′、ε240′中异号的两个应变，假设ε0′、ε120′异号，则求出弯矩引起的螺栓处最大的弯曲应变为：
Figure FDA0003449320360000023
或
Figure FDA0003449320360000024
此时最大弯曲应力为：σbmax＝Eεbmax。
7.如权利要求6所述的一种同时测量螺栓轴力与弯曲应力的方法，其特征在于：步骤S1中，所述应变片(4)的引线通过通孔(2)和盲孔(1)引出。
8.如权利要求6所述的一种同时测量螺栓轴力与弯曲应力的方法，其特征在于：步骤S2中，R1为待测应变片，R2、R3、R4为标准电阻。
9.如权利要求6所述的一种同时测量螺栓轴力与弯曲应力的方法，其特征在于：步骤S3中，ε0′、ε120′异号，则中性层位于0°及120°应变片中间，
根据材料力学弯曲应变与弯矩的关系
Figure FDA0003449320360000031
其中，M为弯矩，y为距中性层距离，Iz为横截面对中性轴的惯性矩，则ε0′、ε120′及εbmax分别为：
Figure FDA0003449320360000032
Figure FDA0003449320360000033
Figure FDA0003449320360000034
其中θ1和θ2分别为0°及120°应变片与圆心连线与中性轴的夹角，且θ1+θ2＝120，求出
Figure FDA0003449320360000035
Figure FDA0003449320360000036
同理可以求出：
Figure FDA0003449320360000037
则求出弯矩引起的螺栓处最大的弯曲应变为：
Figure FDA0003449320360000038
或
Figure FDA0003449320360000039
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