[发明专利]一种测试单螺栓结合面切向静态特性装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测试单螺栓结合面切向静态特性装置与方法，属于机械制造及结构力学领域。

背景技术

在机械结构中，各种零件按具体要求组合起来，零组件、部件之间相互接触的表面即为结合面。结合面静态刚度在载荷的作用下具有较强的非线性特性。结合面存在着的接触刚度，是机械结构整体刚度的重要组成部分，在力封闭链上各连接部件之间，如果一个结合面接触刚度低，则其他构件刚度再高也将失去意义。静态刚度是指机械结构承受恒定载荷的能力，是一个重要的技术指标。机械结构的静态变形不仅会降低零部件的几何精度，还会影响抗震性、噪声、寿命、运动平衡性、发热和磨损等，结合面静态刚度特性的研究是研究机械系统的一个重要基础问题。中外众多学者为此对结合面的静刚度特性进行了不懈的研究，但至今仍有许多问题尚未能很好地解决。原因之一在于，机械结合面为无厚度接触界面的特性，至今尚无可以进行直接测量的手段。

螺栓联接的结合面是机械结构中最典型的结合面之一。螺栓联接具有联接可靠、联接强度高、可拆卸、能自锁等优点。在一般的螺栓结合面中，当螺栓预紧后又受切向工作载荷时，螺栓所受总的切向拉力与螺栓刚度和结合面刚度有直接的关系。螺栓刚度容易获得，但对于结合面刚度来说，情况要复杂得多，至今也没有一个简明准确的计算方法。因此，有必要对螺栓结合面刚度进行深入的研究。

在研究螺栓结合面时，又包括螺栓结合面法向静态刚度和切向静态刚度。研究证明，提取切向静态刚度的难度远大于提取结合面法向静态刚度。在螺栓结合面静态刚度的测试提取过程中，尤以提取单螺栓结合面切向静态刚度最为困难。之前的研究理论多以多螺栓结合面切向静态刚度为研究对象，通过理论或仿真计算从而间接得到单螺栓结合面切向静态刚度，其可靠性及准确性值得考虑。影响螺栓结合面切向静态刚度特性的现实因素很多，而且十分复杂，这些因素主要有：

1)构成螺栓结合面的被联接部位，具有自身的特殊性。螺栓联接的被联接部位应有一定厚度，不能过薄或过厚，在提取测试螺栓结合面切向刚度时不能过于理想化，且被联接部位的厚度直接影响螺栓结合面的有效作用面积。

2)单螺栓结合面的组成部件中只有一副高强螺栓，对形成结合面的两个实验工件进行夹紧、装卡的难度增大。

3)对实验组件进行切向载荷加载的材料试验机的局限性。现有材料试验机只能在竖直或水平方向对实验组件进行拉伸，这就提高了对测试单螺栓结合面切向静态刚度的实验组件的设计要求。

4)在进行单螺栓结合面切向静态刚度的实验过程中，由于材料试验机对实验组件的夹紧，会使结合面受到扭矩和弯矩的影响，这就要充分考虑实验组件的设计，减少扭矩和弯矩对实验组件和实验结果的影响。

5)之前结合面特性的测试实验，选取的用来施加载荷、信号传递、数据采集、数据处理的设备仪器精度较低，所得到的结果不准确或过于粗糙，随着设备仪器的不断发展，就需要采用精度更高的实验器材来完成单螺栓结合面切向静态刚度的测试。

为了系统地研究和探明结合面静态基础特性参数，需要一套能够解决以上问题、精度较高且完整的测试单螺栓结合面切向静态特性的装置与方法。

发明内容

本发明的目的是设计一套精度较高且完整的测试单螺栓结合面切向静态特性的装置及方法，通过材料试验机拉伸切向实验试件，使用力传感器和电涡流位移传感器分别获得材料试验机的切向拉力信号和切向实验试件结合面处的切向位移信号，并利用数据采集系统将数据发送至计算机，从而全面掌握结合面切向静态特性参数。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。