专利名称：一种检验螺栓载荷的方法
技术领域：
本发明涉及螺栓载荷监测领域，尤其涉及一种检验螺栓载荷的方法，可应用于飞机结构的螺栓载荷监测技术中，另外还可用于航空航天、机械、建筑等结构的细节分析、寿命评估以及健康监控等领域，特别在未来智能化工程结构中具有广泛的应用前景。
背景技术：
众所周知工程结构都有表征其固有特性的刚度，其外在表现就是结构变形与承受载荷的大小呈现一定的关系，在已知结构刚度的情况下，通过测量结构变形，就可以计算出其承受的载荷大�。ρР饬烤褪腔谡庋脑斫械�。现有技术中测量变形的方法很多，对于绝对位移在几个毫米到几百个毫米范围内的大变形测量，可以使用钢板尺、位移传感器等；对绝对位移在几微米到几百个微米的小变形测量，可以使用千分尺、高精度位移传感器等；而对于在实际工程结构中，相对变形在几十到几千个微应变间的微小变形的测量，最简单也是最常用的方法就是使用应变片，常见的应变片有电阻应变计、光纤光栅应变计等。螺栓作为一种最常见也是最重要的工程结构件之一，与其它结构一样，其受载之后的变形通常都是非常微�。杂谡庵治⒈湫卫砺凵弦部梢圆捎糜Ρ淦饬浚捎诼菟ń峁沟奶厥庑裕浣峁菇舸�、尺寸小、相对刚度大，很多时候都不具备粘贴应变片的条件，无法直接测量螺栓载荷，然而，工程结构件很多都是通过螺栓联接的，由于螺栓的重要性，如何准确测量螺栓载荷一直是工程界的难题。目前通常采用的办法是，在螺栓固定件如耳片上粘贴应变片，通过测量耳片上的应力反推作用在螺栓上的载荷，如图1所示，其中I是螺栓固定件耳片，2是螺栓孔，3是应变片，但是，如图2所示，当耳片受到一载荷P时，耳片的应力分布是相当复杂的，其中I是螺栓固定件耳片，2是螺栓孔，03是应变片位置，04是应力较集中的位置，由于应变片贴片位置难以准确定位，载荷测量结果需要反推折算，因此仅由几个测量点的应力值是很难准确算出接头螺栓载荷的，通过这种方法无法准确测得螺栓载荷。
发明内容
本发明所解决的技术问题:为了满足工程需要，根据螺栓在承载后普遍会出现弯曲等变形现象，我们提供了一种能直接监测螺栓载荷的方法，不需要反推折算，通过应用螺栓载荷传感器，可准确测得螺栓载荷，解决了当前应变片测量技术中因螺栓结构较小与应变片布置困难的矛盾。本发明的技术方案是:提供了一种能直接检验螺栓载荷的方法，包括步骤一，在螺栓内部埋入敏感元件；步骤二，敏感元件感知螺栓变形情况；步骤三，采集敏感元件的输出信号，并对这些信号的变化情况进行分析和处理；步骤四，根据信号变化情况与螺栓变形的关系，对螺栓变形进行监测。其中，所述步骤一种的敏感元件可以是光纤光栅、压电薄膜； 其中，在螺栓内部埋入敏感元件步骤中，先在螺栓中心制一个小孔，然后在孔的中间灌入变形敏感材料光纤光栅或压敏薄膜形成敏感区，孔径和敏感区的长度根据螺栓载荷而定;
其中，螺栓小孔设有加强环。本发明的有益效果在于:相比现有的通过粘贴在耳片上应变片的测量结果反推耳片螺栓载荷的方法，我们发明的螺栓载荷传感器可以直接测量作用在螺栓上的载荷，避免了由于耳片应力复杂、应变片贴片位置难以准确定位以及载荷测量结果需要反推折算等不确定因素，可以明显提高载荷测量的准确性，解决了当前应变片测量技术中因螺栓结构较小与应变片布置困难的矛盾。
图1是传统螺栓固定件耳片上粘贴应变片测量螺栓载荷过程的示意图。图2是螺栓固定件耳片受载后应力分布模拟图。图3是本发明优选实施例中监测螺栓载荷过程的示意图。图4是本发明优选实施例中用光纤光栅检测螺栓的结构示意图。图5是本发明优选实施例中用压电薄膜检测螺栓的结构示意图。
具体实施例方式下面通过具体的实施例并结合附图3 5对本发明作进一步详细的描述。本发明螺栓载荷测量过程示意见图3，主要包括光纤光栅40、加强环21，螺栓20、螺母30等部件，用于测量螺栓耳片结构的螺栓载荷，光纤光栅40为敏感元件，通过粘结剂胶接固化在螺栓中心的小孔中，两端头用加强环21固定和加强，耳片在载荷P作用下，螺栓20承载后发生变形，安置于螺栓中心的光纤光栅40随之变形，通过光纤光栅40解调仪获取这种变形信号，随后经过信号分析和处理后得到有用的螺栓载荷大小信息。图4是本发明优选实施例中用光纤光栅检测螺栓的结构示意图，在螺栓中心特制一个小孔，因为螺栓中心部分的材料对于其承弯能力的贡献是很小的，在孔的中间灌入光纤光栅40通过粘结剂填充物22胶接固化在螺栓中心的小孔中，对变形敏感的材料形成敏感区，当螺栓受载后，小孔轴线发生弯曲，小孔中的敏感材料会感知相应的变化,通过精确设计孔径和敏感区的长度，就可能检测到这种变化，通过采集敏感元件的输出信号，并对这些信号的变化情况进行分析和处理，找出信号变化情况与螺栓载荷的关系，从而达到监测螺栓载荷的目的。图5是本发明优选实施例中用压电薄膜检测螺栓的结构示意图，在螺栓中心设置一孔，孔中心装有芯材23，芯材23的外围设有压电薄膜50，当耳片在载荷P作用下，螺栓20承载后发生变形，芯材23随之变形，由于材料弯面模量不同，变形不协调产生张开面24和闭合面25，闭合面25感受压力，由压电薄膜50接收并转换为电信号，通过采集压电薄膜50的输出信号，对这些电信号的变化情况进行分析和处理，找出电信号变化情况与螺栓载荷的关系，从而达到监测螺栓载荷的目的。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的申请范围；凡其他未脱离本发明所揭示的实质下所完成的等效改变或修饰，均应包含在下述的权利要求书范围内。
权利要求
1.一种检验螺栓载荷的方法，其特征在于:包括步骤一，在螺栓内部埋入敏感元件；步骤二，敏感元件感知螺栓变形情况；步骤三，采集敏感元件的输出信号，并对这些信号的变化情况进行分析和处理；步骤四，根据信号变化情况与螺栓变形的关系，对螺栓变形进行监测。
2.根据权利要求1所述的检验螺栓载荷的方法，其特征在于:所述步骤敏感元件为光纤光栅、压电薄膜。
3.根据权利要求2所述的检验螺栓载荷的方法，其特征在于:所述光纤光栅通过粘结剂胶接固化在螺栓中心的小孔中，两端头用加强环固定和加强，可以设置为一根或多根。
4.根据权利要求2所述的检验螺栓载荷的方法，其特征在于:所述螺栓内部设有中心孔，中心孔装有芯材，芯材的外围设有压电薄膜。
全文摘要
本发明提供了一种检验螺栓载荷的方法，其特征在于在螺栓内部埋入敏感元件；敏感元件感知螺栓变形情况；采集敏感元件的输出信号，并对这些信号的变化情况进行分析和处理；根据信号变化情况与螺栓变形的关系，对螺栓变形进行监测；有益效果是不需要反推折算，可准确测得螺栓载荷，解决了当前应变片测量技术中因螺栓结构较小与应变片布置困难的矛盾。
文档编号G01L1/16GK103162877SQ201110418780
公开日2013年6月19日 申请日期2011年12月15日 优先权日2011年12月15日
发明者王健志, 邱涛, 吴德锋, 何刚 申请人:中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所
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