CN116202675A - 一种螺栓预紧力测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于螺栓连接技术领域，公开一种螺栓预紧力测量方法，包括S1、建立螺栓连接结构的试验模型；S2、在试验模型的应变区域选取第一关键点；S3、在试验模型中施加力矩或压力，基于第一关键点的应变值获取预紧力与应变区域的应变值的拟合曲线；随后将该拟合曲线应用于实际螺栓预紧力的测量中，具体包括：S4、在实际螺栓连接结构的应变区域选取与第一关键点对应的第二关键点；S5、紧固实际螺栓连接结构，并获取第二关键点的应变值代入拟合曲线，以得到实际螺栓的预紧力。当实际螺栓的预紧力达到设计要求时，停止拧紧螺栓，无需通过贴应变片、设置传感器以及超声波等方式测量螺栓的预紧力，简化工序，适用于批量安装螺栓时对预紧力进行控制。

Description

一种螺栓预紧力测量方法

技术领域

本发明涉及螺栓连接技术领域，尤其涉及一种螺栓预紧力测量方法。

背景技术

在飞机装配阶段，其上复合材料构件的机械连接通常使用螺栓进行紧固连接，螺栓连接不能过紧，也不能过松，连接过松会导致被连接件的稳固性差，容易松动甚至脱落。连接过紧会加剧螺纹的磨损，严重时导致螺栓的螺杆部断裂。也就是说，在拧紧螺栓时需要将螺栓的预紧力控制在预设范围内。

实际安装阶段，常采用扭矩控制法来控制螺栓的拧紧力矩达到一定值，以此保证螺栓产生一定大小的预紧力，从而确保螺栓的安装满足设计要求。螺栓的拧紧力矩和预紧力之间的关系为T＝kFd，其中，T表示拧紧力矩，F表示预紧力，k为扭矩系数，d为螺栓的直径。实际装配过程中，各拧紧工艺参数的变化均会影响T和F之间的关系，如螺纹部位的摩擦系数、螺栓头部与接触面之间的摩擦系数、螺栓的拧紧速度以及拧紧时的温度变化等。控制各拧紧工艺参数均保持恒定值较为困难，因而，通过扭矩控制法很难控制螺栓预紧力在预设范围内。一个可行的办法是直接测量预紧力大小以评定螺栓的装配质量。

目前测量螺栓预紧力的方法主要包括：1、在螺杆部上粘贴应变片，通过应变片的应变值测量螺栓预紧力。但应变片及其连接的导线容易受压损坏，且测量后应变片还需要移除，仅能用于试验室研究，难以用于实际生产；2、通过超声波测量螺杆部的伸长量，以此计算预紧力的大小。而超声波设备成本较高，且使用时需要将螺栓两端磨平以减小测量误差，增加实际装配时的操作工序；3、使用环形压力传感器测量螺栓预紧力大小。但环形压力传感器体积较大，要求被测试螺栓的螺杆部较长，且测量值可能与实际值存在较大差异，仅能用于试验室研究；4、使用薄膜压力传感器，测量螺栓上的压强大小及分布，再通过积分计算预紧力大小。但薄膜压力传感器成本较高，且承受的压力有限，难以用于实际装配中。

因此，亟需一种螺栓预紧力测量方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种螺栓预紧力测量方法，能够快速且准确地测量出螺栓在安装拧紧过程中的预紧力，以保证预紧力达到预设值。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

提供一种螺栓预紧力测量方法，包括以下步骤：

S1、建立螺栓连接结构的试验模型，所述试验模型包括螺栓模型、螺母模型以及被连接件模型；

S2、在所述试验模型的应变区域选取第一关键点；

S3、在所述试验模型中施加力矩或压力，基于所述第一关键点的应变值获取预紧力与应变区域的应变值的拟合曲线；

S4、在实际螺栓连接结构的应变区域选取与所述第一关键点对应的第二关键点；

S5、紧固所述实际螺栓连接结构，并获取所述第二关键点的应变值代入所述拟合曲线，以得到实际螺栓的预紧力。

作为本发明提供的螺栓预紧力测量方法的优选方案，在所述S1中，所述试验模型为有限元模型。

作为本发明提供的螺栓预紧力测量方法的优选方案，在所述S1中，还包括设计加载试验台，所述试验模型为实体模型，所述实体模型安装于所述加载试验台上。

作为本发明提供的螺栓预紧力测量方法的优选方案，所述第一关键点在所述螺栓模型的头部选取，所述第二关键点在所述实际螺栓的头部选取。

作为本发明提供的螺栓预紧力测量方法的优选方案，所述第一关键点位于所述螺栓模型背向所述被连接件模型的一侧，所述第二关键点位于所述实际螺栓背向实际被连接件的一侧。

作为本发明提供的螺栓预紧力测量方法的优选方案，所述第一关键点在所述被连接件模型上选取，所述第二关键点在实际被连接件上选取。

作为本发明提供的螺栓预紧力测量方法的优选方案，所述第一关键点选取有多圈，多圈所述第一关键点沿所述螺栓模型的径向间隔分布，每圈中多个所述第一关键点均围绕所述螺栓模型的轴线呈圆周均匀分布。

作为本发明提供的螺栓预紧力测量方法的优选方案，选取任一所述第一关键点的应变值作为所述试验模型的应变区域的应变值，以建立所述拟合曲线。

作为本发明提供的螺栓预紧力测量方法的优选方案，将多个所述第一关键点的应变值的平均值作为所述试验模型的应变区域的应变值，以建立所述拟合曲线。

作为本发明提供的螺栓预紧力测量方法的优选方案，在所述S5中，通过3D-DIC测量系统获取所述第二关键点的应变值。

本发明的有益效果：

本发明提供一种螺栓预紧力测量方法，包括以下步骤：S1、建立螺栓连接结构的试验模型；S2、在试验模型的应变区域选取第一关键点；S3、在试验模型中施加力矩或压力，基于第一关键点的应变值获取预紧力与应变区域的应变值的拟合曲线；随后将该拟合曲线应用于实际螺栓预紧力的测量中，具体包括：S4、在实际螺栓连接结构的应变区域选取与第一关键点对应的第二关键点；S5、紧固实际螺栓连接结构，并获取第二关键点的应变值代入拟合曲线，以得到实际螺栓的预紧力。即，通过试验模型得到预紧力与应变值的拟合曲线，应变值和预紧力是一一对应的，实际螺栓在安装时，通过获取实际螺栓连接结构上第二关键点的应变值，并将该应变值代入上述拟合曲线中，即可获得实际螺栓在拧紧时的实时预紧力值，当实际螺栓的预紧力值达到设计要求时，即可停止拧紧螺栓，无需通过粘贴应变片、设置传感器以及通过超声波等方式测量螺栓的预紧力，简化测量工序，适用于批量安装螺栓时对预紧力进行控制。

附图说明

图1是本发明具体实施方式提供的螺栓预紧力测量方法的流程图；

图2是本发明具体实施方式提供的预紧力与应变区域的应变值的拟合曲线图；

图3是本发明具体实施方式中在螺栓模型上选取第一关键点的示意图；

图4是本发明具体实施方式中在被连接件模型上选取第一关键点的示意图。

图中：

1、螺栓模型；2、被连接件模型；3、第一关键点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

如图1所示，本实施例提供一种螺栓预紧力测量方法，在实际螺栓安装过程中，能够实时监测实际螺栓在拧紧过程中的预紧力，以保证实际螺栓在安装时的预紧力达到设计要求，且该测量方式为非接触式测量，操作简单快捷，测量结果准确可靠。

该螺栓预紧力测量方法包括以下步骤：

S1、建立螺栓连接结构的试验模型；

其中，螺栓连接结构的试验模型包括螺栓模型1、螺母模型以及被连接件模型2，螺栓模型1穿过被连接件模型2并与螺母模型螺纹连接。

S2、在试验模型的应变区域选取第一关键点3；

在螺栓连接结构中，螺栓头部和被连接件的连接孔处存在较大应力，因此，通常在螺栓头部和被连接件上选取第一关键点3。

S3、在试验模型中施加力矩或压力，基于第一关键点3的应变值获取预紧力与应变区域的应变值的拟合曲线，所获取的拟合曲线如图2所示。随后将该拟合曲线应用于实际螺栓预紧力的测量中。

S4、在实际螺栓连接结构的应变区域选取与第一关键点3对应的第二关键点；

S5、紧固实际螺栓连接结构，并获取第二关键点的应变值代入拟合曲线，以得到实际螺栓的预紧力。

本实施例中，通过试验模型得到预紧力与应变值的拟合曲线，应变值和预紧力是一一对应的，实际螺栓在安装时，通过获取实际螺栓连接结构上第二关键点的应变值，并将该应变值代入上述拟合曲线中，即可获得实际螺栓在拧紧时的实时预紧力值。当实际螺栓的预紧力值达到设计要求时，即可停止拧紧螺栓，无需通过粘贴应变片、设置传感器以及通过超声波等方式测量螺栓的预紧力，简化测量工序，适用于批量安装螺栓时对预紧力进行控制。

在一个可选的实施例中，步骤S1中所建立的螺栓连接结构试验模型为有限元模型。有限元模型可通过ANSYS或者ABAQUS有限元软件建立。具体地，在有限元软件中输入各部件的参数和材料属性，综合螺栓连接结构的非线性因素，建立螺栓连接结构的有限元分析模型。其中各部件的参数和材料属性包括弹性模量、泊松比、屈服极限、强度极限、延伸率等。非线性因素包括接触、摩擦、预紧因素等。有限元模型建立完成后需要进行验证，以保证测量结果的准确性。施加力矩时，可通过设置螺栓模型1或螺母模型的转动，模拟螺栓安装过程。通过有限元模型获取拟合曲线的方式快捷方便，且可直观看到螺栓链接结构的应力分布图。

在另一个新的实施例中，步骤S1中所建立的螺栓连接结构试验模型为实体模型。具体地，在S1中，还包括设计加载试验台，实体模型安装于加载试验台上。由于螺栓模型1穿过被连接件模型2并与螺母模型螺纹连接，拧紧螺母模型后，被连接件模型2被夹紧于螺栓模型1和螺母模型之间，被连接件模型2上受到的是螺栓模型1和螺母模型给予其的压力。因此，试验过程中，可在被连接件模型2上施加一定大小的压力，以近似模拟螺栓预紧力的大小。通过压力传感器和3D-DIC(三维数字图像相关法)测量系统同时测量预紧力大小以及获取被连接件模型2上第一关键点3的应变值，并建立应变值与预紧力之间的关系，将所得到的数据拟合为一条光滑的曲线，如图2所示。通过实体模型获取拟合曲线的方式结果更为准确可靠。

可选地，本实施例中，参见图3，第一关键点3在螺栓模型1的头部选取。相应地，在实际螺栓连接结构中，第二关键点在实际螺栓的头部选取。且第一关键点3的位置坐标与第二关键点的位置坐标一致，以确保预紧力测量结果的可靠性。

进一步地，第一关键点3位于螺栓模型1背向被连接件模型2的一侧，第二关键点位于实际螺栓背向实际被连接件的一侧。本实施例中，通过3D-DIC测量系统获取第二关键点的应变值。具体地，3D-DIC测量系统在实际螺栓的头部背向实际被连接件的一侧表面上制作散斑，散斑的大小和密度等特征依据3D-DIC测量系统的实际工况而定。紧固实际螺栓连接结构时，将实际螺栓的头部通过扳手固定，并使用拧紧工具拧紧螺母，注意不能遮挡含有散斑的实际螺栓头表面。拧紧过程中使用3D-DIC测量系统测量实际螺栓头表面上第二关键点的应变值，并将应变值带入拟合好的曲线中得到预紧力，实现螺栓预紧力的非接触式实时测量。3D-DIC测量系统连接终端设备，通过终端设备的显示屏可显示螺栓预紧力的实时值，待预紧力达到设计要求时，停止拧紧即可。

参见图3，第一关键点3选取有多圈，多圈第一关键点3沿螺栓模型1的径向间隔分布，每圈中多个第一关键点3均围绕螺栓模型1的轴线呈圆周均匀分布。每一个第一关键点3均对应有一条应变值与预紧力的曲线图，可选取其中任意一条作为预紧力与应变区域的应变值的拟合曲线，实际测量时，将第二关键点的应变值代入该拟合曲线中。即，可选取任一第一关键点3的应变值作为试验模型的应变区域的应变值，以建立拟合曲线。当然，也可以将多个第一关键点3的应变值的平均值作为试验模型的应变区域的应变值，以建立拟合曲线。

参见图4，在其他实施例中，第一关键点3也可以在被连接件模型2上选取。相应地，第二关键点在实际被连接件上选取。被连接件模型2上的第一关键点3也可选取多圈，多圈第一关键点3沿螺栓模型1的径向间隔分布，每圈中多个第一关键点3均围绕螺栓模型1的轴线呈圆周均匀分布。实际测量时，3D-DIC测量系统在实际被连接件的一侧表面上制作散斑，散斑的大小和密度等特征依据3D-DIC测量系统的实际工况而定。紧固实际螺栓连接结构时，将实际螺栓的头部通过扳手固定，并使用拧紧工具拧紧螺母，注意不能遮挡含有散斑的实际被连接件的表面。拧紧过程中使用3D-DIC测量系统测量实际被连接件表面上第二关键点的应变值，并将应变值带入拟合好的曲线中得到预紧力，实现螺栓预紧力的非接触式实时测量。待获得的预紧力达到设计要求时，即可停止拧紧螺母。

需要说明的是，本实施例中，螺栓模型1上第一关键点3的位置选择、以及被连接件模型2上第一关键点3的位置选择并不仅限于图3和图4所示的选择多圈，也就是说，多个第一关键点3也可以为其他分布方式分布于螺栓模型1和被连接件模型2上，只需要保证第一关键点3的位置和第二关键点的位置对应即可。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种螺栓预紧力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立螺栓连接结构的试验模型，所述试验模型包括螺栓模型(1)、螺母模型以及被连接件模型(2)；

S2、在所述试验模型的应变区域选取第一关键点(3)；

S3、在所述试验模型中施加力矩或压力，基于所述第一关键点(3)的应变值获取预紧力与应变区域的应变值的拟合曲线；

S4、在实际螺栓连接结构的应变区域选取与所述第一关键点(3)对应的第二关键点；

S5、紧固所述实际螺栓连接结构，并获取所述第二关键点的应变值代入所述拟合曲线，以得到实际螺栓的预紧力。

2.根据权利要求1所述的螺栓预紧力测量方法，其特征在于，在所述S1中，所述试验模型为有限元模型。

3.根据权利要求1所述的螺栓预紧力测量方法，其特征在于，在所述S1中，还包括设计加载试验台，所述试验模型为实体模型，所述实体模型安装于所述加载试验台上。

4.根据权利要求1所述的螺栓预紧力测量方法，其特征在于，所述第一关键点(3)在所述螺栓模型(1)的头部选取，所述第二关键点在所述实际螺栓的头部选取。

5.根据权利要求4所述的螺栓预紧力测量方法，其特征在于，所述第一关键点(3)位于所述螺栓模型(1)背向所述被连接件模型(2)的一侧，所述第二关键点位于所述实际螺栓背向实际被连接件的一侧。

6.根据权利要求1所述的螺栓预紧力测量方法，其特征在于，所述第一关键点(3)在所述被连接件模型(2)上选取，所述第二关键点在实际被连接件上选取。

7.根据权利要求1所述的螺栓预紧力测量方法，其特征在于，所述第一关键点(3)选取有多圈，多圈所述第一关键点(3)沿所述螺栓模型(1)的径向间隔分布，每圈中多个所述第一关键点(3)均围绕所述螺栓模型(1)的轴线呈圆周均匀分布。

8.根据权利要求7所述的螺栓预紧力测量方法，其特征在于，选取任一所述第一关键点(3)的应变值作为所述试验模型的应变区域的应变值，以建立所述拟合曲线。

9.根据权利要求7所述的螺栓预紧力测量方法，其特征在于，将多个所述第一关键点(3)的应变值的平均值作为所述试验模型的应变区域的应变值，以建立所述拟合曲线。

10.根据权利要求1所述的螺栓预紧力测量方法，其特征在于，在所述S5中，通过3D-DIC测量系统获取所述第二关键点的应变值。

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