專利名稱：應(yīng)變式力傳感器的內(nèi)錐形彈性體及其優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械測(cè)試測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種應(yīng)變式力傳感器的內(nèi)錐形彈性體， 還涉及一種該內(nèi)錐形彈性體的優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
螺栓作為常用的連接件在工程中應(yīng)用十分廣泛，螺栓軸向預(yù)緊力對(duì)它的性能、壽命乃至被連接件的性能、壽命都有很大的影響。在螺栓結(jié)合部以及依靠螺栓加載的大面積接觸的結(jié)合部的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性研究中，螺栓軸向預(yù)緊力的準(zhǔn)確測(cè)量，是整個(gè)研究的基礎(chǔ)之一。通常采用的螺栓軸向預(yù)緊力的測(cè)量技術(shù)有扭矩扳手法，電阻應(yīng)變片法，超聲應(yīng)力測(cè)量法等幾種[1]。扭矩扳手法是目前工程中應(yīng)用最普遍的一種測(cè)量和控制螺栓預(yù)緊力方法。其原理是根據(jù)扭矩來(lái)間接控制螺栓預(yù)緊力。這種方法操作簡(jiǎn)單，但是由于螺母與螺栓的螺紋面和螺母與被連接件的接觸面之間的摩擦因數(shù)的離散性，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩系數(shù)離散，即使在確保加工精度，保證良好潤(rùn)滑的條件下，對(duì)施加相同扭矩的螺栓，預(yù)緊力的測(cè)量誤差最高也會(huì)達(dá)到 30%左右氣電阻應(yīng)變片電測(cè)法也是一種常用的螺栓預(yù)緊力的測(cè)量方法，它通過粘貼在螺栓表面的應(yīng)變片測(cè)量螺栓表面的應(yīng)變，進(jìn)而獲得螺栓的軸向預(yù)緊力。該方法測(cè)量精度較力矩扳手高，但需要將所用的螺栓改制 ]。對(duì)于Φ10以下的螺栓，改制時(shí)應(yīng)變片的引線引出比較困難，并且應(yīng)變片粘貼空間很小，應(yīng)力集中影響大，導(dǎo)致不同螺栓靈敏度差別比較大。根據(jù)聲彈性原理，超聲波的速度會(huì)因材料中的應(yīng)力而產(chǎn)生微小的變化。通過研究螺栓軸向應(yīng)力與超聲波傳播時(shí)間變化率的關(guān)系，可以測(cè)量螺栓中的應(yīng)力進(jìn)而獲得螺栓軸向預(yù)緊力。該方法的缺點(diǎn)是必須通過各種形式的耦合層實(shí)現(xiàn)探頭和工件的耦合，耦合層的不均勻性帶來(lái)的測(cè)量誤差可以達(dá)到與測(cè)量值相同的數(shù)量級(jí)。超聲波測(cè)量結(jié)果也容易受到其它一些因素的影響，導(dǎo)致測(cè)量精度變差，例如被測(cè)螺栓的幾何形狀，螺栓中不均勻的應(yīng)力場(chǎng)的影響等。此外，該方法要求具有精密的聲時(shí)測(cè)量系統(tǒng)和溫度測(cè)量系統(tǒng)，這些都限制了該方法的實(shí)際應(yīng)用[1]。應(yīng)變式測(cè)力傳感器是一種常用的電測(cè)法測(cè)力傳感器，其彈性體的常見形式，有柱式，懸臂式，S式和輪輻式等幾種形式^’5]。輪輻式測(cè)力測(cè)力傳感器是一種剪切型測(cè)力傳感器，應(yīng)變片粘貼在輪輻的側(cè)面用以測(cè)量剪切力。這種類型的測(cè)力傳感器軸向尺寸較小，如果孔徑合適，可以將螺栓穿過中心孔，螺栓預(yù)緊后可以通過應(yīng)變片將預(yù)緊力測(cè)出。這種形式的彈性體缺點(diǎn)是高應(yīng)力區(qū)范圍很小，應(yīng)力梯度大，應(yīng)變片粘接位置的誤差會(huì)導(dǎo)致傳感器靈敏度差別比較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)變式力傳感器的內(nèi)錐形彈性體，解決了現(xiàn)有的輪輻式彈性體應(yīng)變片粘接位置的誤差會(huì)導(dǎo)致傳感器靈敏度差別比較大，且輪輻式彈性體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，較難加工的問題。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供上述內(nèi)錐形彈性體的優(yōu)化方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種應(yīng)變式力傳感器的內(nèi)錐形彈性體，包括圓柱形基體，基體上部設(shè)置有錐形凹部，錐形凹部的底部設(shè)置有中心孔；錐形凹部的錐面上設(shè)置有應(yīng)變片；錐形凹部的中軸線與中心孔的中軸線位于同一條直線上。本發(fā)明所采用的另一個(gè)技術(shù)方案是，上述內(nèi)錐形彈性體的優(yōu)化方法，其具體操作步驟如下第一步，根據(jù)應(yīng)變式力傳感器內(nèi)錐形彈性體的結(jié)構(gòu)，估計(jì)出彈性體的初始尺寸；第二步，采用有限元方法，根據(jù)彈性體的初始尺寸建立有限元模型，計(jì)算彈性體在螺栓軸向力作用下的應(yīng)力；第三步，根據(jù)第二步得到的錐形凹部錐面上的應(yīng)力分布情況，調(diào)整模型的錐角后再次計(jì)算，直至內(nèi)錐面上的應(yīng)力分布均勻；具體調(diào)整過程為根據(jù)下面的迭代公式確定錐形凹部錐角的調(diào)整量
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)變式力傳感器的內(nèi)錐形彈性體，其特征在于包括圓柱形基體(1)，基體(1) 上部設(shè)置有錐形凹部O)，錐形凹部O)的底部設(shè)置有中心孔(3)；錐形凹部O)的錐面上設(shè)置有應(yīng)變片；錐形凹部O)的中軸線與中心孔(3)的中軸線位于同一條直線上。
2.—種權(quán)利要求1所述內(nèi)錐形彈性體的優(yōu)化方法，其特征在于，具體操作步驟如下第一步，根據(jù)應(yīng)變式力傳感器內(nèi)錐形彈性體的結(jié)構(gòu)，估計(jì)出彈性體的初始尺寸；第一步，采用有限元方法，根據(jù)彈性體的初始尺寸建立有限元模型，計(jì)算彈性體在螺栓軸向力作用下的應(yīng)力；第三步，根據(jù)第二步得到的錐形凹部( 錐面上的應(yīng)力分布情況，調(diào)整模型的錐角后再次計(jì)算，直至內(nèi)錐面上的應(yīng)力分布均勻；具體調(diào)整過程為 根據(jù)下面的迭代公式確定錐形凹部錐角的調(diào)整量
全文摘要
本發(fā)明提供一種應(yīng)變式力傳感器的內(nèi)錐形彈性體，包括圓柱形基體，基體上部設(shè)置有錐形凹部，錐形凹部的底部設(shè)置有中心孔；錐形凹部的錐面上設(shè)置有應(yīng)變片。該彈性體的優(yōu)化方法為先估計(jì)出一個(gè)初始尺寸；再采用有限元方法，計(jì)算彈性體在螺栓軸向力作用下的應(yīng)力；然后調(diào)整模型的錐角直至內(nèi)錐面上的應(yīng)力分布均勻；在不改變錐角的條件下，調(diào)整基體的厚度，使錐面上的應(yīng)力水平達(dá)到要求；最后將有限元計(jì)算獲得的模型尺寸圓整，作為彈性體最終尺寸。本發(fā)明為簡(jiǎn)單的回轉(zhuǎn)體，加工和熱處理工藝性都較好，應(yīng)變片粘貼部位應(yīng)力分布均勻，對(duì)應(yīng)變片粘接位置的準(zhǔn)確性沒有要求。軸向尺寸較輪輻式小，更適合螺栓軸向力的測(cè)量。
文檔編號(hào)G01L1/18GK102539031SQ201210003249
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月6日
發(fā)明者于雷, 王世軍, 趙金娟 申請(qǐng)人:西安理工大學(xué)