[发明专利]一种同时测量螺栓轴力与弯曲应力的装置和方法

权利要求书

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：

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：

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：

或

此时最大弯曲应力为：σ_bmax＝Eε_bmax。

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

其中，M为弯矩，y为距中性层距离，I_z为横截面对中性轴的惯性矩，则ε₀′、ε₁₂₀′及ε_bmax分别为：

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

同理可以求出：

则求出弯矩引起的螺栓处最大的弯曲应变为：

或