CN106908239B - 一种剪切销承载载荷及其分配的测量方法 - Google Patents

一种剪切销承载载荷及其分配的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种剪切销承载载荷及其分配的测量方法，对于通过多组剪切销将底板与连接板固定的销孔连接结构；根据剪切销承载时底板与连接板受挤压会使销孔周围产生应变分布，以及应变与剪切载荷呈线性关系原理，在每个销孔周围粘贴应变计，用来搭建两套应变测试桥路，分别用于测试相互垂直的第一方向和第二方向上的应变输出值；对应变输出值进行标定试验标定，确定剪切载荷和应变输出值间的系数矩阵；进行剪切载荷测试，得到应变结果，根据所述系数矩阵变换后得到各个剪切销承载的剪切载荷。本发明所提供的测量方法，解决无法测试剪切载荷方向未知情况下剪切销的剪切载荷及各剪切销的载荷分配情况。

Description

一种剪切销承载载荷及其分配的测量方法
技术领域
本发明属于发动机推力传递结构验证试验领域，具体涉及一种剪切销承载载荷及其分配的测量方法。
背景技术
推力传递结构设计完成后，必须进行试验验证，以确定结构满足要求的承载能力。推力传递结构通常会设计两个以上的剪切销，其可能共同承担推力载荷或者其中一个作为备用的剪切销以防意外，那么需要清楚各个剪切销各自究竟承担了多大推力载荷，如何设计合理的载荷分配比例，设计怎样的间隙配合关系能让剪切销承载最为合理。可以看出结构设计的复杂性，仅通过设计仿真分析是难以得到剪切销承载能力和载荷分配的准确结果，必须通过试验测试剪切销的实际承载。
发明内容
本发明的目的在于提供一种剪切销承载载荷及其分配的测量方法，解决无法测试剪切载荷方向未知情况下剪切销的剪切载荷及各剪切销的载荷分配情况。
本发明的目的通过如下技术方案实现：一种剪切销承载载荷及其分配的测量方法，包括如下步骤：
步骤一：对于通过多组剪切销将底板与连接板固定的销孔连接结构，根据剪切销承载时底板与连接板受挤压会使销孔周围产生应变分布，以及应变与剪切载荷呈线性关系原理，在每个销孔周围粘贴应变计，用来搭建两套应变测试桥路，分别用于测试相互垂直的第一方向和第二方向上的应变输出值；
步骤二：对步骤一的应变输出值进行标定试验标定，确定剪切载荷和应变输出值间的系数矩阵，其中，所述标定试验为将每个剪切销和销孔单独连接，再对每个剪切销单独施加第一方向和第二方向两个方向的载荷，再依次对余下安装在另一销孔中的剪切销单独施加该两个方向的载荷，得到2n组数据，具体为：
其中，为系数矩阵，n为剪切销及其配套销孔的数量；第一组数据中表示为第一个剪切销在第一方向上施加的载荷，表示为该第一个剪切销在第一方向上分担的剪切载荷，表示为该载荷下获得的应变输出值，表示为第一个剪切销销孔周围的第一桥路测得的应变输出值，表示为第n个剪切销销孔周围的第二桥路测得的应变输出值；第二组数据中表示为第一个剪切销在第二方向上施加的载荷，表示为该第一个剪切销在第二方向上分担的剪切载荷，表示为该载荷下获得的应变输出值，表示为第一个剪切销销孔周围的第一桥路测得的应变输出值，表示为第n个剪切销销孔周围的第二桥路测得的应变输出值；最后一组数据中表示为第n个剪切销在第二方向上施加的载荷，表示为该第n个剪切销在第二方向上分担的剪切载荷，表示为该载荷下获得的应变输出值，表示为第一个剪切销销孔周围的第一桥路测得的应变输出值，表示为第n个剪切销销孔周围的第二桥路测得的应变输出值；进而确定系数矩阵
步骤三：进行剪切载荷测试，得到应变结果，根据所述系数矩阵变换后得到各个剪切销承载的剪切载荷。
优选地是，步骤一中的所述测试桥路为半桥形式，在每个所述销孔的左侧和上方两位置各粘贴一套所述应变计，其中，在每个位置的所述第一方向和所述第二方向各设置一个应变计，第一方向上的两个应变计构成第一半桥，用来测试第一方向上的应变输出值，第二方向上的两个应变计构成第二半桥，用来测试第二方向上的应变输出值。
优选地是，步骤一中的所述测试桥路为全桥形式，在每个所述销孔的左侧和上方两位置各粘贴一套所述应变计，其中，在每个位置的所述第一方向和所述第二方向各设置二个应变计，第一方向上的四个应变计构成第一全桥，用来测试第一方向上的应变输出值，第二方向上的四个应变计构成第二全桥，用来测试第二方向上的应变输出值。
本发明所提供的一种剪切销承载载荷及其分配的测量方法的有益效果在于，测试方法同时获得平面内相互垂直的两个方向的剪切载荷，这就实现了方向未知情况下剪切载荷的测试，更能适用于工程实际情况；标定方法简单可行，能明显简化系数矩阵的求解，易于操作；方法适用性广，能应用到含有多个销孔连接结构的剪切载荷分配测试。
附图说明
图1为本发明剪切销承载载荷及其分配的测量方法中销孔连接结构示意图；
图2为图1的A向剖视图；
图3为本发明剪切销承载载荷及其分配的测量方法中半桥测试桥路形式下应变计贴片位置示意图；
图4为本发明剪切销承载载荷及其分配的测量方法中半桥测试桥路示意图；
图5为本发明剪切销承载载荷及其分配的测量方法中全桥测试桥路形式下应变计贴片位置示意图；
图6为本发明剪切销承载载荷及其分配的测量方法中全桥测试桥路示意图；
图7为本发明剪切销承载载荷及其分配的测量方法中第一方向标定试验示意图；
图8为图7的B向剖视图；
图9为本发明剪切销承载载荷及其分配的测量方法中第二方向标定试验示意图；
附图标记：
1-第一剪切销、2-第二剪切销、3-底板、4-连接板、5-第一销孔、6-第二销孔、7-标定加载组件、8-平台、9-固定螺栓。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明的剪切销承载载荷及其分配的测量方法做进一步详细说明。
一、剪切销连接结构说明
构建销孔连接结构，通过多组剪切销将底板3与连接板4安装固定，能够分析剪切销承受的两个板之间的剪切载荷，为简化起见，下文均采用两组剪切销的结构进行说明，如图1和图2所示，两图为示意图，图中的两板各自的其他复杂结构均已省略未画出。
二、测试方法
图1和图2两个剪切销承受的剪切载荷，剪切载荷的大小方向均未知，剪切载荷能够考虑在一个平面内，因此，测试平面内两个垂直方向的载荷便可以确定单个剪切销承担的剪切载荷大小和方向。
剪切销承载时，其自身会产生应变，此应变在弹性范围内是和剪切载荷呈线性关系的，测试其自身应变的方法可作为间接法获得剪切载荷，然而剪切销的承载面均为接触面，难有合适的测试位置可用。对销孔连接结构的分析可以看出，剪切销的反作用力将对图1和图2中的连接板4和底板3产生挤压，会在销孔的周围产生应变分布，此应变也与剪切载荷有线性关系，且在两板上有较大的可供测试用的位置，在每个销孔周围粘贴应变计，用来搭建两套应变测试桥路，分别用于测试相互垂直的第一方向和第二方向上的应变输出值。
下面介绍第一种应变测试桥路方案，如图3和图4所示，该应变测试桥路的组桥方式为半桥，此方案粘贴的应变计少，对粘贴位置要求面积小。在第一销孔5和第二销孔6的左侧和上方适当位置处各粘贴一套应变计，其中，在第一销孔5的左侧的第一方向(即图3中的水平方向)和第二方向(即图3中的竖直方向)上各设置一个应变计，分别为a1、a2(a1设置在第一方向上)，在第一销孔5的上方的第一方向(即图3中的水平方向)和第二方向(即图3中的竖直方向)上也各设置一个应变计，分别为b1、b2(b1设置在第一方向上)，第一方向上的两个应变计(即a1和b1)组成第一半桥，用来测试第一方向上的应变输出值ε1，第二方向上的两个应变计(即a2和b2)组成第二半桥，用来测试第二方向上的应变输出值ε2，半桥桥路示意图如图4所示。同时第二销孔6周围的应变计与第一销孔5同理设置，分别为a3、a4、b3、b4，a3和b3组成第一半桥，测得应变输出值ε3，a4和b4组成第二半桥，测得应变输出值ε4。
下面介绍第二种应变测试桥路方案，如图5和图6所示，该应变测试桥路的组桥方式为全桥，此方案能获得更大的应变输出，分辨率高，但需要的应变计多，粘贴位置需要的面积大。与半桥粘贴位置相同，但每个位置增加了一组应变计，分别为a1、a2、c1、c2和b1、b2、d1、d2，其中，a1、c1应变计粘贴在第一销孔5左侧的第一方向(图5中的水平方向)上，a2、c2应变计粘贴在第一销孔5左侧的第二方向(图5中的竖直方向)上，b1、d1应变计粘贴在第一销孔5上侧的第一方向上，b2、d2应变计粘贴在第一销孔5上侧的第二方向上，第一方向上的四个应变计(即a1、b1、c1、d1)构成第一全桥，用来测试第一方向上的应变输出值ε1，第二方向上的四个应变计(即a2、b2、c2、d2)组成第二全桥，用来测试第二方向上的应变输出值ε2，全桥桥路示意图如图6所示，同时第二销孔6周围的应变计与第一销孔5同理设置。综上，可根据粘贴位置是否足够以及应变输出的分辨率要求来确定采用哪种组桥方式。
根据图3的应变计组桥方式，每个销孔有两组应变测量桥，第一销孔5的应变输出值为ε1、ε2，分别对应第一销孔5内的第一剪切销1在X、Y方向(为方便行文，将第一方向用X方向表述，第二方向用Y方向表述)的剪切载荷F1、F2在板上产生的应变。第二销孔6的应变输出值为ε3、ε4，分别对应第二销孔6内的第二剪切销2在X、Y方向的剪切载荷F3、F4在板上产生的应变。结合图3分析得出，虽然ε1的应变由F1产生，但F2、F3和F4均会对ε1产生影响，其他3个应变也会受到类似的影响，为此，需要建立产生相互影响的系数矩阵。
建立下列矩阵进行分析：
将公式(2)分解开可得F1＝a11ε1+a12ε2+a13ε13+a14ε4，F2、F3、F4同理。可见，系数矩阵考虑了其他方向应变输出的影响，因此能较好的保证测试载荷的精度。得到系数矩阵就可以根据应变输出，利用公式(2)得到每个剪切销承担的剪切载荷。
三、标定过程
对应变输出值进行标定试验标定，确定剪切载荷和应变输出值间的系数矩阵标定试验即对系数矩阵的求解。
标定试验前首先做如下前期工作，利用公式(2)建立4个方程：
将公式(4)的四个方程合并，得到：
将公式(5)表示为：
将公式(6)两侧乘以则：
由公式(7)表明，可以通过对第一剪切销1和第二剪切销2进行加载，通过预先已知加载载荷的方式得到应变，通过4组数据组合计算得到
接着通过标定试验获得4组数据。采用对每个剪切销与孔单独连接，并且对每个剪切销和孔单独施加X、Y两个方向的载荷，得到4组应变和对应所施加的载荷具体为：
需要说明的是第一个方程左侧的表示为第一剪切销1在X方向上施加的载荷，表示为第一剪切销1在X方向上分担的剪切载荷，表示为该载荷下获得的应变输出值，表示为第一销孔5销孔周围的第一半桥测得的应变输出值，表示为第一销孔5销孔周围的第二半桥测得的应变输出值，表示为第二销孔6销孔周围的第一半桥测得的应变输出值，表示为第二销孔6销孔周围的第二半桥测得的应变输出值。另三组方程的说明与第一组方程同理。
公式(8)组合后代入公式(7)为：
如何获得4组数据的操作如下：
先对第一剪切销1进行标定，采用如图7至图9所示的标定装置，仅将第一剪切销1安装到第一销孔5，第二销孔6不安装剪切销。底板3通过固定螺栓9固定到平台8，通过标定加载组件7从X和Y两方向分别进行加载，得到公式(8)中前两组方程的载荷和应变参数(第一组方程对应X方向施加的载荷)。第一剪切销1标定完成后，再对第二剪切销2进行标定，此时仅安装第二剪切销2，拆除第一剪切销1，得到公式(8)中后两组方程的载荷和应变参数。获得的4组参数代入公式(9)即可计算得到系数矩阵完成标定试验。
四、进行剪切载荷试验
进行剪切载荷测试，得到应变结果，根据系数矩阵变换后得到各个剪切销承载的剪切载荷。
当有多个剪切销需要测试其各自承载载荷是，本方法可进一步扩展，如有n个孔，则系数矩阵变为2n维方矩阵，则：
系数矩阵的求解也需要对每个剪切销和孔单独施加X、Y两个方向的载荷，再依次对余下安装在另一销孔中的剪切销单独施加该两个方向的载荷，得到2n组应变和对应所施加的载荷具体为：
将公式(11)带入公式(10)，以保证为对角矩阵，简化试验和计算流程。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种剪切销承载载荷及其分配的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：对于通过多组剪切销将底板与连接板固定的销孔连接结构，根据剪切销承载时底板与连接板受挤压会使销孔周围产生应变分布，以及应变与剪切载荷呈线性关系原理，在每个销孔周围粘贴应变计，用来搭建两套应变测试桥路，分别用于测试相互垂直的第一方向和第二方向上的应变输出值；
步骤二：对步骤一的应变输出值进行标定试验标定，确定剪切载荷和应变输出值间的系数矩阵，其中，所述标定试验为将每个剪切销和销孔单独连接，再对每个剪切销单独施加第一方向和第二方向两个方向的载荷，再依次对余下安装在另一销孔中的剪切销单独施加该两个方向的载荷，得到2n组数据，具体为：
其中，为系数矩阵，n为剪切销及其配套销孔的数量；第一组数据中表示为第一个剪切销在第一方向上施加的载荷，表示为该第一个剪切销在第一方向上分担的剪切载荷，表示为该载荷下获得的应变输出值，表示为第一个剪切销销孔周围的第一桥路测得的应变输出值，表示为第n个剪切销销孔周围的第二桥路测得的应变输出值；第二组数据中表示为第一个剪切销在第二方向上施加的载荷，表示为该第一个剪切销在第二方向上分担的剪切载荷，表示为该载荷下获得的应变输出值，表示为第一个剪切销销孔周围的第一桥路测得的应变输出值，表示为第n个剪切销销孔周围的第二桥路测得的应变输出值；最后一组数据中表示为第n个剪切销在第二方向上施加的载荷，表示为该第n个剪切销在第二方向上分担的剪切载荷，表示为该载荷下获得的应变输出值，表示为第一个剪切销销孔周围的第一桥路测得的应变输出值，表示为第n个剪切销销孔周围的第二桥路测得的应变输出值；进而确定系数矩阵
步骤三：进行剪切载荷测试，得到应变结果，根据所述系数矩阵变换后得到各个剪切销承载的剪切载荷。
2.根据权利要求1所述的剪切销承载载荷及其分配的测量方法，其特征在于，步骤一中的所述测试桥路为半桥形式，在每个所述销孔的左侧和上方两位置各粘贴一套所述应变计，其中，在每个位置的所述第一方向和所述第二方向各设置一个应变计，第一方向上的两个应变计构成第一半桥，用来测试第一方向上的应变输出值，第二方向上的两个应变计构成第二半桥，用来测试第二方向上的应变输出值。
3.根据权利要求1所述的剪切销承载载荷及其分配的测量方法，其特征在于，步骤一中的所述测试桥路为全桥形式，在每个所述销孔的左侧和上方两位置各粘贴一套所述应变计，其中，在每个位置的所述第一方向和所述第二方向各设置二个应变计，第一方向上的四个应变计构成第一全桥，用来测试第一方向上的应变输出值，第二方向上的四个应变计构成第二全桥，用来测试第二方向上的应变输出值。
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