CN109283041A - 一种测量螺栓节点中被连接件极限接触应力的实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

一种测量螺栓节点中被连接件极限接触应力的实验装置及实验方法，属于螺栓短期松弛测试领域。该实验装置包括用于加载力的拉伸机及内部放置千分表、磁力底座、试件、压力传感器和光杆螺栓的夹具，拉伸机配合压力传感器、千分表精确测量实验过程中力和位移的变化。该实验方法将螺栓的加载方式分为连续加载和非连续加载两种方式，对螺栓进行加载的过程中，通过千分表测出螺栓位移，通过压力传感器测出材料所承受的压力，再通过计算得出试件的应力—应变曲线，从曲线分析得出材料的极限接触应力。本发明结构简单、使用费方便，实验数据处理方便、测量精度高，应用范围广。

Description

一种测量螺栓节点中被连接件极限接触应力的实验装置及实 验方法

技术领域

本发明属于螺栓短期松弛测试领域，涉及一种测量螺栓节点中被连接件极限接触应力实验装置及实验方法，用于测量材料在螺栓连接情况下的极限接触应力。

背景技术

螺栓连接具有拆卸方便、制造规范化、承载力大的特点，在连接装配中应用广泛。在汽车、轮船、飞机等领域，螺栓连接稳定性是一个重点问题，螺栓预紧力又是连接质量的重要参数，都希望螺栓连接的预紧力控制在最合理的大小，提升整体装配质量，提高使用寿命，但螺栓连接节点是一个复杂的问题，控制螺栓拧紧的预紧力又是一个难点。

影响螺栓拧紧精度的因素主要分为三方面：输入转矩转化为有效预紧力的精度、弹性相互作用、短期松弛效应。在前两个方面，现在装配已经采用旋转角度拧紧法、液压拉伸法、多螺栓同时拧紧装置等改进拧紧工艺，但在短期松弛方面，尚且没有深入的研究。

短期松弛现象的影响因素有很多种，除材料自身属性以外，加载的螺栓预紧力不同，会赋予材料内部不同的活化能，使得完成加载后，材料发生不同程度的塑性形变，最终导致短期松弛效应发生程度不同。但是，短期松弛现象的产生，不应因其预紧力超过材料极限接触强度而发生明短期显松弛现象。目前测量材料在螺栓节点中极限接触应力的实验方法还没有明确规定，也没有明确的测量手段及判定方式。对此，设计一种螺栓节点中材料极限接触应力的实验装置和实验方法具有重要意义，也给提高螺栓拧紧精度技术提供指导。

发明内容

本发明针对的问题是螺栓节点中材料的极限接触应力：在螺栓连接节点中，由于外界因素的变化或者初始加载造成预紧力超过材料屈服极限，材料发生塑性变形，在接触表面发生凹陷。如果力超过材料的极限接触强度，会发生明显的短期松弛现象，造成连接预紧力大幅度下降，连接强度不能满足既定要求。针对上述问题，本发明提供一种测量螺栓节点中被连接件极限接触应力的实验装置及实验方法。

本发明采用的技术方案为：

一种测量螺栓节点中被连接件极限接触应力的实验装置，包括拉伸机3、夹具7、千分表8、磁力底座9、试件10、压力传感器11、光杆螺栓12。通过拉伸机3对实验装置进行力的加载，拉伸机3只能粗略提供力和位移数据，不能满足实验精度要求，需要配合利用压力传感器11、千分表8精确测量实验过程中力和位移的变化。

所述的夹具7为圆筒状结构，包括上下表面和夹具侧壁16，上表面上设有夹具上夹头13，下表面中心开有夹具底孔15，夹具侧壁16设有一开口，开口下方设有用于放置磁力底座9的磁力底座平台14。所述的拉伸机3上设有拉伸机卡盘4，其上夹头夹持夹具上夹头13，下夹头夹持光杆螺栓12的螺杆部分。

所述的夹具7内部放置千分表8、磁力底座9、试件10、压力传感器11、光杆螺栓12。所述的千分表8固定在磁力底座9的夹头上，磁力底座9放置在磁力底座平台14上，调整磁力底座9使千分表8探针垂直抵在光杆螺栓12的螺帽上，即千分表8轴线与光杆螺栓12轴线重合。所述的压力传感器11放置在夹具7下表面上，试件10设于压力传感器11上方，压力传感器11与试件10上开设通孔传感器螺栓孔18、试件螺栓孔17，通孔尺寸小于光杆螺栓12的螺帽尺寸。所述的光杆螺栓12的螺帽上表面与千分表8的探针接触，光杆螺栓12的螺杆部分依次穿过试件10、压力传感器11通孔后伸出夹具底孔15，并保持轴线重合，伸出夹具7下表面长度为20～30mm。

所述的千分表8通过数据线2与计算机1连接，实验过程中用于测量光杆螺栓12的位移变化，采集试件10在受压力情况下的压痕深度变化。所述的压力传感器11通过数据线2与计算机1连接，实验过程中采集试件10所受的压力大小。所述的拉伸机3通过数据线2与拉伸机控制器6、计算机1连接，拉伸机控制器6用于调节拉伸机3的横梁空间，计算机1用于拉伸机3的实验程序控制。

一种测量螺栓节点中被连接件极限接触应力的实验方法，该实验方法将螺栓的加载方式分为连续加载和非连续加载：连续加载是对螺杆施加均匀持续增加的拉力，实验需要对得到实验曲线图进行处理；非连续加载是将螺栓加载到屈服强度，随后进行分级加载，实验要考虑蠕变现象的产生。所述的实验方法具体包括以下步骤：

步骤1：组装实验装置

1.1)将压力传感器11、试件10放入夹具7内，光杆螺栓12的螺杆依次穿过压力传感器11、试件10通孔从夹具底孔15伸出20～30mm，光杆螺栓12、压力传感器11、试件10与夹具底孔15四者轴线重合；将磁力底座9固定在磁力底座平台14上，千分表8固定在磁力底座9的夹头上方，通过调整磁力底座9，使千分表8的探针垂直抵在光杆螺栓12的螺帽上表面。

1.2)调整拉伸机卡盘4的上下夹头之间的距离，将夹具及其他实验件5固定在拉伸机3上。

1.3)将拉伸机3、千分表8和压力传感器11通过数据线2与计算机1连接，打开计算机1的控制软件。

步骤2：实验装置使用前调试

2.1)通过拉伸机控制器6微调拉伸机3的下横梁，拉伸机卡盘4的下夹头与光杆螺栓12的螺杆完成装卡，并使光杆螺栓12的螺帽压住试件10，形成微小拉力。

2.2)通过调整磁力底座9使用千分表8压紧光杆螺栓12的螺帽，形成1mm～1.5mm示数，然后将千分表8、压力传感器11进行重置归零。光杆螺栓12的螺杆在试验中受拉力会向下产生位移，在试件10上表面产生压痕，试验过程中千分表8不断读取压痕随时间变化情况。

步骤3：进行连续加载实验

利用计算机1控制拉伸机3对螺杆进行匀速加载，实验过程中千分表8读取试件10压痕变化数据，压力传感器11读取试件10所受压力变化数据。当千分表8读数达到400μm～420μm时，连续加载实验结束，记录整个过程数据，拟合成应力-位移曲线。每次实验结束更换试件10和光杆螺栓12，重复进行连续加载实验5次。

步骤4：进行非连续加载实验

将实验装置调整至步骤2的状态，非连续加载即阶梯加载，阶梯加载从屈服极限开始，以5kn或10kn为阶梯进行阶梯加载；

启动拉伸机3，控制计算机1，先加载到试件10的屈服应力位置，随后进行阶梯加载，在每一阶梯加载完成后保持载荷120s，直到加载累计压痕深度达到100μm或者在保持载荷期间发生2μm蠕变，停止实验记录实验过程拟合应力-形变曲线。每次实验结束更换试件10和光杆螺栓12，重复进行非连续加载实验5次。

步骤5：拆除实验装置，整理实验数据，对比两种加载方式产生的实验结果，分析材料的力学性能，得出该材料的蠕变情况，得到材料在螺栓连接情况下的极限接触应力。材料的极限接触应力是在实际装配和使用中试件的最大承载力，超过极限接触应力就会导致明显短期松弛现象产生。

实验过程中，压力传感器11测量的是力的大小，需要转化成应力：

式中，P表示试件10所受应力大小；F表示试件10所受力的大小，S_有效表示螺栓节点的有效接触面积；D₁表示光杆螺栓12的螺帽有效接触面直径，D₂表示试件10通孔直径。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)实验准备阶段简单：该装置仅有夹具7、光杆螺栓12、试件10为加工件，而且光杆螺栓12可以通过处理现有标准螺栓得到，其余均为采购件。夹具7和试件10的结构简单，加工简单。

(2)实验测量精度高：千分表8的精度为1μm，传感器测力精准，所得实验数据处理结果比较有说服力。

(3)实验数据处理方便：实验获得的数据均采用软件处理，保存方便，不用人工记录，采集频率高，实验数据精确度高。

(4)适用范围广：本实验装置除了可以进行长期松弛实验，还可以进行材料的屈服实验、极限接触强度实验、拉断实验，应用范围广。

附图说明

图1为实验开始前总装配二维图；

图2为夹具及其他实验件5二维模型图；(a)为主视图；(b)为侧视图；(c)从下往上的俯视图；(d)为轴视图；

图3为夹具7二维模型图；(a)为主视图；(b)为侧视图；(c)俯视图；(d)为轴视图；

图4为试件10三维模型图；

图5为压力传感器11三维模型图；

图6为磁力底座14二维模型图；(a)为主视图；(b)为侧视图；(c)俯视图；(d)为轴视图。

图7为千分表8三维模型图；

图8为光杆螺栓12三维模型图；

图9为试件10的应力-位移曲线；

图中：1计算机，2数据线，3拉伸机，4拉伸机卡盘，5夹具及其他实验件，6拉伸机控制器，7夹具，8千分表，9磁力底座，10试件，11压力传感器，12光杆螺栓，13夹具上夹头，14磁力底座平台，15夹具底孔，16夹具侧壁，17试件螺栓孔，18传感器螺栓孔。

具体实施方式

下面结合图1-8及实验方法，对本发明做更详细介绍。

根据本发明提供的测量螺栓节点中短期松弛效应的实验装置，如图1、图2所示，包括拉伸机3、夹具7、千分表8、磁力底座9、试件10、传感器11、光杆螺栓12。实验中采用试件10的材料种类及其形状大小均相同。

非采购件设计：夹具7必须保证强度要求，加工完成后进行热处理增强刚度。夹具7设计尺寸为上下端面厚度为20mm，夹具上夹头13直径40mm宽度40mm，外径为240mm高260mm，夹具底孔15直径为40mm。夹具7内空间放置千分表8、试件10、压力传感器11、光杆螺栓12，磁力底座平台14用于放置磁力底座9，磁力底座9作用于固定千分表8的位置；试件10形体必须包含在光杆螺栓12作用下形成的应力场(大于三倍孔径)，因此试件10设计尺寸为直径40mm高40mm的圆柱体，轴线方向有10.5mm试件螺栓孔17，在试验中承受光杆螺栓12传递的压力；光杆螺栓12是经过处理的标准件，将螺纹部分切除形成光杆，光杆螺栓12的强度为10.9级、直径为10mm、杆长100mm。

采购件说明：在实验过程中，误差在1μm范围，所以千分表8的精度必须足够，采用数显五按键千分表。千分表8具有专用数据线2，实验中将实验数据传给计算机1进行处理，准确得出实验过程中试件10的压痕深度变化过程；压力传感器11的传感器螺栓孔18为10.5mm(与试件螺栓孔17的直径相同)，外径为45mm，大于试件10的外径，实验中得到试件10承受的压力。压力传感器11在实验中得出数据经计算机1处理，可以得到试件10在实验过程所受压力变化过程。磁力底座9的选择需要考虑千分表的大小，过大过小均会使千分表7的位置调整变得困难。

准备阶段：根据图1-8所示，将实验中所需要的全部设备准备好。将光杆螺栓2、试件10、压力传感器11依次连接起来，然后放入夹具7中，再将千分表8装卡在磁力底座9上，放到夹具7的磁力底座平台14上，调整位置，保证千分表7轴线与光杆螺杆12轴线重合，并使千分表8的示数在400μm～420μm。将拉伸机3和数据线2连接至计算机1，进行联机测试，调试拉伸机3的控制软件，进行式样录入。检查并调整夹具及其他实验件5的位置，将夹具7装卡在拉伸机3上。将千分表8和压力传感器11通过数据线2连接至计算机1，检查其可操控性，调试千分表7和压力传感器11的采集程序。最后检查整体装配及连接。

实验前调整：启动拉伸机3和计算机1，打开相应控制软件，操纵拉伸机控制器6移动拉伸机3的横梁，将拉伸机卡盘4的下夹头夹紧光杆螺杆12，形成微小拉力。重置千分表8和压力传感器11，使其示数为0。

进行连续加载实验：

所述的连续加载是对螺杆施加均匀持续增加的拉力，直到压痕深度超过400μm，此时材料早已超过极限接触压强遭到破坏，记录整个过程数据，拟合成应力-形变曲线，在此曲线中读取发生20μm、100μm、200μm塑性压痕深度对应的接触压强。具体为：启动压力传感器11和千分表8采集按钮，启动计算机1进行拉伸实验，移动速度为0.050mm/min。千分表8数据拟合成时间-位移曲线，传感器11拟合成时间-力曲线。连续加载实验进行5次，每次实验更换光杆螺栓12和试件10。通过实验获得连续加载的应力-位移曲线，以屈服阶段为斜率做平移直线，平移100μm与曲线的交点即材料发生100μm塑性变形所对应的接触应力。在连续实验中得到试件10的屈服强度σ_s以及发生20μm、100μm、200μm压痕深度的应力。

进行非连续加载实验：

所述的非连续加载是将螺栓加载到屈服强度，随后进行分级加载，每次加5kN或10kN(根据材料特性而定)载荷，每次增加载荷后保持120s，直到累计压痕深度达到100μm，如果在120s保持期间发生2μm蠕变也视为实验结束，记录实验过程拟合应力-形变线。对比两种加载方式产生的实验结果，分析材料的力学性能，得出该材料的蠕变情况，为确定其极限接触压强奠基。具体为：启动压力传感器11和千分表8采集按钮，启动计算机1进行拉伸，移动速度为0.050mm/min，加载到屈服强度σ_s停止，保持载荷120s，然后增加载荷5kN(或10kN)保持120s，随后再增加载荷5kN(或10kN)保持120s，进行这种阶梯加载直到累计压痕深度达到100μm或者保持时间内发生2μm蠕变，实验停止。非连续加载实验5次，每次更换螺栓和试件。

处理实验数据：首先根据实际接触面积(不考虑微观接触)，将压力传感器11得到的力-时间曲线转化为应力-时间曲线。将千分表得到的位移-时间曲线和压力-位移曲线进行整合，得到试件的应力-位移曲线。如图9所示，在应力-位移曲线中，一开始只发生弹性变形，应力与位移成正比，斜率为材料的弹性模量，随后材料的性能遭到破坏，发生塑性变形。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种测量螺栓节点中被连接件极限接触应力的实验装置，其特征在于，所述的实验装置包括拉伸机(3)、夹具(7)、千分表(8)、磁力底座(9)、试件(10)、压力传感器(11)、光杆螺栓(12)；

所述的夹具(7)为圆筒状结构，包括上下表面和夹具侧壁(16)，上表面上设有夹具上夹头(13)，下表面中心开有夹具底孔(15)，夹具侧壁(16)设有一开口，开口下方设有用于放置磁力底座(9)的磁力底座平台(14)；所述的拉伸机(3)上设有拉伸机卡盘(4)，其上夹头夹持夹具上夹头(13)，下夹头夹持光杆螺栓(12)的螺杆部分；

所述的夹具(7)内部放置千分表(8)、磁力底座(9)、试件(10)、压力传感器(11)、光杆螺栓(12)；所述的千分表(8)固定在磁力底座(9)的夹头上，磁力底座(9)放置在磁力底座平台(14)上，调整磁力底座(9)使千分表(8)探针垂直抵在光杆螺栓(12)的螺帽上；所述的压力传感器(11)放置在夹具(7)下表面上，试件(10)设于压力传感器(11)上方，压力传感器(11)与试件(10)上开设通孔，通孔尺寸小于光杆螺栓(12的螺帽尺寸；所述的光杆螺栓(12)的螺帽与千分表(8)探针接触，螺杆依次穿过试件(10)、压力传感器(11)通孔后伸出夹具底孔(15)，并保持轴线重合；

所述的千分表(8)、压力传感器(11)均与计算机(1)连接，千分表(8)用于测量光杆螺栓(12)的位移变化，采集试件(10)在受压力情况下的压痕深度变化，压力传感器(11)用于采集试件(10)所受的压力大小；所述的拉伸机(3)与拉伸机控制器(6)、计算机(1)连接，拉伸机控制器(6)用于调节拉伸机(3)的横梁空间。

2.根据权利要求1所述的一种测量螺栓节点中被连接件极限接触应力的实验装置，其特征在于，所述的光杆螺栓(1)的螺杆部分伸出夹具底孔(15)的长度为20～30mm。

3.一种测量螺栓节点中被连接件极限接触应力的实验方法，其特征在于以下步骤：

步骤1：组装实验装置

1.1)将压力传感器(11)、试件(10)放入夹具(7)内，光杆螺栓(12)的螺杆依次穿过压力传感器(11)、试件(10)通孔从夹具底孔(15)伸出20～30mm，且四者轴线重合；将千分表(8)固定在磁力底座(9)的夹头上方，通过调整磁力底座(9)使千分表(8)的探针垂直抵在光杆螺栓(12)的螺帽上表面；

1.2)调整拉伸机卡盘(4)的上下夹头之间的距离，将夹具及其他实验件(5)固定在拉伸机(3)上；

1.3)将拉伸机(3)、千分表(8)和压力传感器(11)与计算机(1)连接；

步骤2：实验装置使用前调试

2.1)通过拉伸机控制器(6)微调拉伸机(3)下横梁，拉伸机卡盘(4)的下夹头与光杆螺栓(12)的螺杆完成装卡，使光杆螺栓(12)的螺帽压住试件(10)；

2.2)通过调整磁力底座(9)使用千分表(8)压紧光杆螺栓(12)的螺帽，形成1mm～1.5mm示数，然后将千分表(8)、压力传感器(11)重置归零；

步骤3：进行连续加载实验

利用计算机(1)控制拉伸机(3)对螺杆进行匀速加载，实验过程中千分表(8)读取试件(10)压痕变化数据，压力传感器(11)读取试件(10)所受压力变化数据；当千分表(8)读数达到400μm～420μm时，停止实验，记录整个过程数据，拟合成应力-位移曲线；

步骤4：进行非连续加载实验

将实验装置调整至步骤2的状态，启动拉伸机(3)加载到试件(10)的屈服应力位置后，进行阶梯加载，在每一阶梯加载完成后保持载荷120s，直到加载累计压痕深度达到100μm或者在保持载荷期间发生2μm蠕变，停止实验，记录实验过程拟合应力-形变曲线；

步骤5：对比两种加载方式产生的实验结果，分析材料的力学性能，得到材料在螺栓连接情况下的极限接触应力。

4.根据权利要求3所述的实验方法，其特征在于，所述的非连续加载实验过程中，以5kn或10kn为阶梯进行阶梯加载。

5.根据权利要求3或4所述的实验方法，其特征在于，每次连续加载实验、非连续加载实验结束后，更换试件(10)和光杆螺栓(12)，重复进行加载实验5次。