專利名稱：一種檢驗螺栓載荷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及螺栓載荷監(jiān)測領(lǐng)域，尤其涉及一種檢驗螺栓載荷的方法，可應(yīng)用于飛機結(jié)構(gòu)的螺栓載荷監(jiān)測技術(shù)中，另外還可用于航空航天、機械、建筑等結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)分析、壽命評估以及健康監(jiān)控等領(lǐng)域，特別在未來智能化工程結(jié)構(gòu)中具有廣泛的應(yīng)用前景。
背景技術(shù)：
眾所周知工程結(jié)構(gòu)都有表征其固有特性的剛度，其外在表現(xiàn)就是結(jié)構(gòu)變形與承受載荷的大小呈現(xiàn)一定的關(guān)系，在已知結(jié)構(gòu)剛度的情況下，通過測量結(jié)構(gòu)變形，就可以計算出其承受的載荷大小，力學(xué)測量就是基于這樣的原理進(jìn)行的?，F(xiàn)有技術(shù)中測量變形的方法很多，對于絕對位移在幾個毫米到幾百個毫米范圍內(nèi)的大變形測量，可以使用鋼板尺、位移傳感器等；對絕對位移在幾微米到幾百個微米的小變形測量，可以使用千分尺、高精度位移傳感器等；而對于在實際工程結(jié)構(gòu)中，相對變形在幾十到幾千個微應(yīng)變間的微小變形的測量，最簡單也是最常用的方法就是使用應(yīng)變片，常見的應(yīng)變片有電阻應(yīng)變計、光纖光柵應(yīng)變計等。螺栓作為一種最常見也是最重要的工程結(jié)構(gòu)件之一，與其它結(jié)構(gòu)一樣，其受載之后的變形通常都是非常微小，對于這種微變形理論上也可以采用應(yīng)變片測量，但由于螺栓結(jié)構(gòu)的特殊性，其結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、相對剛度大，很多時候都不具備粘貼應(yīng)變片的條件，無法直接測量螺栓載荷，然而，工程結(jié)構(gòu)件很多都是通過螺栓聯(lián)接的，由于螺栓的重要性，如何準(zhǔn)確測量螺栓載荷一直是工程界的難題。目前通常采用的辦法是，在螺栓固定件如耳片上粘貼應(yīng)變片，通過測量耳片上的應(yīng)力反推作用在螺栓上的載荷，如圖1所示，其中I是螺栓固定件耳片，2是螺栓孔，3是應(yīng)變片，但是，如圖2所示，當(dāng)耳片受到一載荷P時，耳片的應(yīng)力分布是相當(dāng)復(fù)雜的，其中I是螺栓固定件耳片，2是螺栓孔，03是應(yīng)變片位置，04是應(yīng)力較集中的位置，由于應(yīng)變片貼片位置難以準(zhǔn)確定位，載荷測量結(jié)果需要反推折算，因此僅由幾個測量點的應(yīng)力值是很難準(zhǔn)確算出接頭螺栓載荷的，通過這種方法無法準(zhǔn)確測得螺栓載荷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術(shù)問題:為了滿足工程需要，根據(jù)螺栓在承載后普遍會出現(xiàn)彎曲等變形現(xiàn)象，我們提供了一種能直接監(jiān)測螺栓載荷的方法，不需要反推折算，通過應(yīng)用螺栓載荷傳感器，可準(zhǔn)確測得螺栓載荷，解決了當(dāng)前應(yīng)變片測量技術(shù)中因螺栓結(jié)構(gòu)較小與應(yīng)變片布置困難的矛盾。本發(fā)明的技術(shù)方案是:提供了一種能直接檢驗螺栓載荷的方法，包括步驟一，在螺栓內(nèi)部埋入敏感元件；步驟二，敏感元件感知螺栓變形情況；步驟三，采集敏感元件的輸出信號，并對這些信號的變化情況進(jìn)行分析和處理；步驟四，根據(jù)信號變化情況與螺栓變形的關(guān)系，對螺栓變形進(jìn)行監(jiān)測。其中，所述步驟一種的敏感元件可以是光纖光柵、壓電薄膜； 其中，在螺栓內(nèi)部埋入敏感元件步驟中，先在螺栓中心制一個小孔，然后在孔的中間灌入變形敏感材料光纖光柵或壓敏薄膜形成敏感區(qū)，孔徑和敏感區(qū)的長度根據(jù)螺栓載荷而定;
其中，螺栓小孔設(shè)有加強環(huán)。本發(fā)明的有益效果在于:相比現(xiàn)有的通過粘貼在耳片上應(yīng)變片的測量結(jié)果反推耳片螺栓載荷的方法，我們發(fā)明的螺栓載荷傳感器可以直接測量作用在螺栓上的載荷，避免了由于耳片應(yīng)力復(fù)雜、應(yīng)變片貼片位置難以準(zhǔn)確定位以及載荷測量結(jié)果需要反推折算等不確定因素，可以明顯提高載荷測量的準(zhǔn)確性，解決了當(dāng)前應(yīng)變片測量技術(shù)中因螺栓結(jié)構(gòu)較小與應(yīng)變片布置困難的矛盾。


圖1是傳統(tǒng)螺栓固定件耳片上粘貼應(yīng)變片測量螺栓載荷過程的示意圖。圖2是螺栓固定件耳片受載后應(yīng)力分布模擬圖。圖3是本發(fā)明優(yōu)選實施例中監(jiān)測螺栓載荷過程的示意圖。圖4是本發(fā)明優(yōu)選實施例中用光纖光柵檢測螺栓的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明優(yōu)選實施例中用壓電薄膜檢測螺栓的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面通過具體的實施例并結(jié)合附圖3 5對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。本發(fā)明螺栓載荷測量過程示意見圖3，主要包括光纖光柵40、加強環(huán)21，螺栓20、螺母30等部件，用于測量螺栓耳片結(jié)構(gòu)的螺栓載荷，光纖光柵40為敏感元件，通過粘結(jié)劑膠接固化在螺栓中心的小孔中，兩端頭用加強環(huán)21固定和加強，耳片在載荷P作用下，螺栓20承載后發(fā)生變形，安置于螺栓中心的光纖光柵40隨之變形，通過光纖光柵40解調(diào)儀獲取這種變形信號，隨后經(jīng)過信號分析和處理后得到有用的螺栓載荷大小信息。圖4是本發(fā)明優(yōu)選實施例中用光纖光柵檢測螺栓的結(jié)構(gòu)示意圖，在螺栓中心特制一個小孔，因為螺栓中心部分的材料對于其承彎能力的貢獻(xiàn)是很小的，在孔的中間灌入光纖光柵40通過粘結(jié)劑填充物22膠接固化在螺栓中心的小孔中，對變形敏感的材料形成敏感區(qū)，當(dāng)螺栓受載后，小孔軸線發(fā)生彎曲，小孔中的敏感材料會感知相應(yīng)的變化,通過精確設(shè)計孔徑和敏感區(qū)的長度，就可能檢測到這種變化，通過采集敏感元件的輸出信號，并對這些信號的變化情況進(jìn)行分析和處理，找出信號變化情況與螺栓載荷的關(guān)系，從而達(dá)到監(jiān)測螺栓載荷的目的。圖5是本發(fā)明優(yōu)選實施例中用壓電薄膜檢測螺栓的結(jié)構(gòu)示意圖，在螺栓中心設(shè)置一孔，孔中心裝有芯材23，芯材23的外圍設(shè)有壓電薄膜50，當(dāng)耳片在載荷P作用下，螺栓20承載后發(fā)生變形，芯材23隨之變形，由于材料彎面模量不同，變形不協(xié)調(diào)產(chǎn)生張開面24和閉合面25，閉合面25感受壓力，由壓電薄膜50接收并轉(zhuǎn)換為電信號，通過采集壓電薄膜50的輸出信號，對這些電信號的變化情況進(jìn)行分析和處理，找出電信號變化情況與螺栓載荷的關(guān)系，從而達(dá)到監(jiān)測螺栓載荷的目的。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非用以限定本發(fā)明的申請范圍；凡其他未脫離本發(fā)明所揭示的實質(zhì)下所完成的等效改變或修飾，均應(yīng)包含在下述的權(quán)利要求書范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種檢驗螺栓載荷的方法，其特征在于:包括步驟一，在螺栓內(nèi)部埋入敏感元件；步驟二，敏感元件感知螺栓變形情況；步驟三，采集敏感元件的輸出信號，并對這些信號的變化情況進(jìn)行分析和處理；步驟四，根據(jù)信號變化情況與螺栓變形的關(guān)系，對螺栓變形進(jìn)行監(jiān)測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢驗螺栓載荷的方法，其特征在于:所述步驟敏感元件為光纖光柵、壓電薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的檢驗螺栓載荷的方法，其特征在于:所述光纖光柵通過粘結(jié)劑膠接固化在螺栓中心的小孔中，兩端頭用加強環(huán)固定和加強，可以設(shè)置為一根或多根。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的檢驗螺栓載荷的方法，其特征在于:所述螺栓內(nèi)部設(shè)有中心孔，中心孔裝有芯材，芯材的外圍設(shè)有壓電薄膜。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種檢驗螺栓載荷的方法，其特征在于在螺栓內(nèi)部埋入敏感元件；敏感元件感知螺栓變形情況；采集敏感元件的輸出信號，并對這些信號的變化情況進(jìn)行分析和處理；根據(jù)信號變化情況與螺栓變形的關(guān)系，對螺栓變形進(jìn)行監(jiān)測；有益效果是不需要反推折算，可準(zhǔn)確測得螺栓載荷，解決了當(dāng)前應(yīng)變片測量技術(shù)中因螺栓結(jié)構(gòu)較小與應(yīng)變片布置困難的矛盾。
文檔編號G01L1/16GK103162877SQ201110418780
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者王健志, 邱濤, 吳德鋒, 何剛 申請人:中國航空工業(yè)集團(tuán)公司沈陽飛機設(shè)計研究所