[发明专利]一种残余应力对螺栓连接结构夹紧力衰减影响的测量方法

权利要求书

1.一种残余应力对螺栓连接结构夹紧力衰减影响的测量装置，其特征在于：该装置包括拉伸试验机(1)、下连接件(2)、螺母(3)、电涡流位移传感器(4)、上连接件(5)、螺栓(6)和压力传感器(7)，电涡流位移传感器(4)和压力传感器(7)与传感器数据采集系统连接，传感器数据采集系统与计算机连接；三维表面形貌测量仪的最高精度达到100nm，用来扫描试件接触面的三维形貌数据，三维形貌数据包括三维坐标、表面粗糙度、波纹度以及3D形貌，对接触面表面的形貌测量非常准确；通过振动台和X射线残余应力测试仪获得不同大小的残余应力，随后轴向组装轴向螺栓连接件，上连接件(5)和下连接件(2)之间通过螺栓(6)连接，螺栓(6)通过螺母(3)紧固，压力传感器(7)设置在螺栓(6)的头部；上连接件(5)和下连接件(2)通过固定尺寸的接触面接触，压力传感器(7)串联在螺栓(6)和上连接件(5)之间，压力传感器(7)依次连接数字放大器和数据采集卡，最终将测得的数据实时输出至计算机对应采集软件中，通过计算机的传感器数据采集系统实时监测螺栓夹紧力，获得螺栓夹紧力随着时间变化的F-t曲线；上连接件(5)的端部设有方形带孔薄板，以固定电涡流位移传感器(4)，并实现上下调节，将电涡流位移传感器(4)的下端探头安装至距离下连接件(2)一侧的方形薄板上端2-3mm处；电涡流位移传感器(4)使用LMS数据采集系统进行连接，获得精度较高的振动下不同残余应力下结合面间的位移时间的S-t图；然后对其施加特定的频率、波形和一定幅值的交变载荷进行循环载荷下的拉伸重复试验；上连接件(5)和下连接件(2)与拉伸试验机(1)连接。

2.利用权利要求1所述装置进行的一种残余应力对螺栓连接结构夹紧力衰减影响的测量方法，其特征在于：该方法采用三维表面形貌测量仪来扫描螺栓连接件的接触表面,用振动时效法及X射线残余应力测试仪获得同种材料、不同水平残余应力大小的螺栓，用拉伸试验机夹持不同残余应力螺栓的轴向框型连接件，并给其提供特定的周期、频率以及幅值的交变载荷，随着循环加载，获得力学、位移随时间变化数据，分析获得不同残余应力下轴向螺栓夹紧力的变化，再将松弛阶段划分，按照先扫描形貌获得数据在进行拉伸试验，拉伸试验完成后再进行扫描分析的过程重复试验，最终在三维形貌数据、力学数据和位移数据综合分析下得出精度高，较为准确的不同残余应力下结合面间相对位移变化对轴向螺栓连接结构夹紧力的影响，以及定量阐释残余应力对螺栓连接结构夹紧力的衰减，乃至螺栓连接结构松弛的影响规律。

3.根据权利要求2所述的一种残余应力对螺栓连接结构夹紧力衰减影响的测量方法，其特征在于：基于振动时效法，以时间为变量，对螺栓进行一定振幅和频率下的持续振动，以获得不同水平残余应力的螺栓。

4.根据权利要求2所述的一种残余应力对螺栓连接结构夹紧力衰减影响的测量方法，其特征在于：采用X射线残余应力测试仪获得螺栓杆部轴向和周向的残余应力，设置疲劳拉伸试验机的幅值及频率，对具有不同残余应力水平的螺栓连接结构进行循环载荷试验。

5.根据权利要求2所述的一种残余应力对螺栓连接结构夹紧力衰减影响的测量方法，其特征在于：

步骤一：将同一批次、同种材料的N个螺栓紧固件分为M组，每组n个，依次编号Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、…，且对应轴向连接件依次编号为1、2、…，并在实验进行前对其进行超声清洗处理；

步骤二：对固定在振动台上的M组螺栓施加一定幅值激振力和频率的持续振动，间隔相同时间，依次取下一组螺栓，直至所有螺栓全部取下为止；

步骤三；将振动后的M组实验螺栓静置处理，使实验螺栓内的残余应力释放；然后将各组实验螺栓中的每一个螺栓的光杆部位选取3～5个测试点，通过X射线残余应力测试仪进行残余应力试验，测量每个测点周向和轴向的残余应力大小，并记录；

步骤四：将不同加工质量的上连接件(2)、下连接件(5)的接触面通过三维表面形貌测量仪扫描接触区域并建立相应的数据库，包括3D形貌、三维坐标、表面粗糙度、波纹度参数；由于螺栓连接结构实际接触面并不是完全接触，而是存在间隙，因此接触表面的三维形貌特征可以为结合面特性的影响提供基础；

步骤五：连接拉伸试验装置，并且用数显扭力扳手施加一定的预紧力矩，将每组相互对应的螺栓螺母和相同型号的压力传感器依次固定在连接件上；启动拉伸试验机(1)，进行预热；压力传感器(7)、数字放大器、数据采集卡和计算机依次连接起来，通过软件设置并将初始值调零；压力传感器(7)穿在螺栓(6)上；将某一加工表面质量下的上连接件(5)、下连接件(2)，通过螺栓(6)和螺母(3)连接起来，使得压力传感器(7)在螺栓(6)和上连接件(5)之间形成串联；控制扭矩扳手的不同扭矩来控制螺栓的预紧力，设定螺栓预紧力的初始值，计算机显示的压力传感器(7)达到相应初始值时停止增大扭矩；将所连接的试件加在拉伸试验机(1)上，设定加载特定的频率和幅值的循环交变载荷，并设置循环类型和循环周期；开启拉伸试验，并记录压力传感器(7)输出的F-t曲线图和相应的力-时间二维数据、电涡流位移传感器(4)输出的S-t曲线和相应的位移-时间二维数据；实验完成后，保存并输出数据；实验后将螺栓轴向件拧松拆卸，分别在三维表面形貌上扫描上连接件(5)、下连接件(2)的接触面，获得相应数据3D形貌、三维坐标、表面粗糙度、波纹度；

步骤六：重复以上实施过程，通过相同的频率、波形、循环交变载荷和螺栓预紧力的情况下，通过对具有不同残余应力的螺栓进行拉伸试验，获得螺栓夹紧力随时间的衰减曲线以及结合面间的位移变化曲线，记录相应数据并保存。