一种基于FBG传感器的螺栓紧固结合面面压检测方法

摘要

本发明属于连接件结合面压力检测技术领域，提供了一种基于FBG传感器的螺栓紧固结合面面压检测方法，将结合面面压转化为FBG传感器的应变：基于埋入式FBG传感器的应变传递理论确定FBG传感器埋设槽尺寸及位置；基于单螺栓连接结合面压力分布理论确定结合面测点位置的压力，实时对应应变及压力值完成标定，实现结合面面压的精准检测。根据上述方法确定FBG传感器埋设槽的尺寸及位置，可以保证应变信息的可靠、准确性；综合结合面压力的确定，能够得到准确的应变‑结合面压力曲线，为研究螺栓连接结合面压力提供了一种实用可行的方法。

说明书

技术领域

本发明属于连接件结合面压力检测技术领域，具体的为一种通过FBG传感器检测结合面应变来间接反应结合面压力的一种方法。

背景技术

在进行工程重大装备零部件组装以及高精密零件装配时，常用到螺栓连接，但是一直以来螺栓预紧力以及连接结合面压力都难以精确控制，结合面上压力控制不准确以及安装后结合面压力分布不均匀，都会严重影响连接的刚度及设备的整体性能，在重大装备装配中，如航空发动机中的高压、低压涡轮轴，高压压气机盘鼓等零件中存在大量的螺栓连接，精确控制连接面压力大小以及分布均匀性可以有效提高设备性能。因此，在这些重大装备装配中，获得一种测量准确可靠、能够用于实际的结合面压力检测方法就显得尤为重要。

随着高端装备的发展及日益的精量化，实现对结合面参数的准确检测尤为迫切，不仅要求掌握压力的分布规律更要实现压力大小的精准检测。目前，在螺栓连接中已有超声检测法、薄膜法等结合螺栓连接理论模型进行结合面压力的检测与分析，超声检测法能够实现对结合面接触面积、压力分布等参数直接进行无损检测，但是易受噪声等因素的影响，而且检测精度低严重限制了这种方法的应用；采用薄膜传感器法可以实时检测结合面压力，但是很难应用于实际情况，薄膜传感器无法取出，而且可能对连接产生影响，无法进行标定，以上方法均存在各自应用中的局限性。

本发明针对以上检测手段的弊端，提出了一种新型可靠的检测结合面压力的方法，由于超声检测容易受外界因素的干扰导致检测精度低，而噪声等外界因素对FBG传感器的检测影响很小，而且其直接检测应变量大小，精度较高，很大程度提高了检测精度；使用此发明方法进行标定后，可以在对结合面破坏极小的情况下，有效检测出结合面压力的具体值，避免了在结合面处嵌入压力传感器的弊端，因此这种方法有很强的实用价值。

发明内容

在各种重大装备及精密设备装配精度需求日益提高的背景下，综合分析现有结合面参数检测方法的缺陷和不足，本发明提出一种基于FBG传感器的螺栓紧固结合面面压检测方法：采取埋入式FBG传感器检测被连接件的应变量同时使用压力传感器检测结合面压力的方式，两种传感器同时使用，从两个测量角度实时获取应变及对应结合面测点位置面压的实时数据，基于埋入式FBG传感器应变传递理论及单螺栓连接结合面压力分布理论，标定出应变—结合面压力关系曲线，连接结合面是封闭形式的，固结合面面压等参量很难直接检测，本发明提出的方法可在不影响结合面连接的情况下有效检测出结合面压力值，提高了测量的精度，而且更适于研究及应用。

本发明的技术方案：

一种基于FBG传感器的螺栓紧固结合面面压检测方法，将结合面面压转化为FBG传感器的应变：基于埋入式FBG传感器的应变传递理论确定FBG传感器埋设槽尺寸及位置；基于单螺栓连接结合面压力分布理论确定结合面测点位置的压力，实时对应应变及压力值完成标定，实现结合面面压的精准检测，具体设计方法如下：

(1)FBG传感器埋设槽尺寸的确定

根据FBG传感器的平均应变传递率，再结合实际光纤封装工艺及加工工艺，最终确定FBG传感器埋设槽尺寸；

FBG传感器的平均应变传递率为：

其中：D是埋设槽宽度，H是埋设槽高度，H＝D；G_c是胶体剪切模量；r_g是裸光纤半径；E_g是光纤弹性模量；r_m-r_g是光纤与基体之间胶体厚度；L是FBG传感器粘贴长度的一半；

当FBG传感器的粘贴长度一定时，参数k的影响因素即确定FBG传感器的平均应变传递率，以接近1为目标确定参数，以实际加工精度和光纤封装工艺为前提，即确定FBG传感器埋设槽尺寸；

(2)FBG传感器埋设槽位置的确定

以FBG传感器的临界粘贴长度和单螺栓连接固结合面压力分布理论确定FBG传感器的埋设槽位置，所选位置开设的FBG传感器埋设槽长度必须达到FBG传感器的临界粘贴长度；根据单螺栓连接结合面压力分布理论，结合面上沿被连接件径向压力满足四次曲线分布，FBG传感器埋设槽处结合面压力被破坏，但为保证四次曲线分布信息的完整，结合FBG传感器的临界粘贴长度和单螺栓连接固结合面压力分布理论限制FBG传感器埋设槽的位置；

FBG传感器的临界粘贴长度(CAL)为：

CAL＝l_c＝9.24/k(3)

根据公式(3)，计算出FBG传感器的临界粘贴长度，结合单螺栓连接结合面压力分布理论的要求，确定FBG传感器埋设槽位置；

根据确定的FBG传感器埋设槽尺寸及位置，封装好FBG传感器即测得螺栓紧固结合面处的应变值；

(3)FBG传感器测点位置结合面接触压力的确定

基于单螺栓连接结合面压力分布理论，结合面接触压力沿径向满足四次曲线分布，形如：

p_n(r)＝c₄r⁴+c₃r³+c₂r²+c₁r+c₀(4)

式中：c_i(i＝0,1,...,4)为未知参数；r为所在半径上任意点到螺栓中心的距离。

提取被连接件径向上的压力值拟合出一条四次曲线，注意舍弃埋设槽处的“坏点”时，可以舍弃周边2～3点，避免其对曲线信息产生干涉，保证四次曲线包含的压力分布信息正确、完整，拟合出曲线后，取埋设槽处位置点，即可得到该处的结合面压力值。

本发明的有益效果：一种基于FBG传感器的螺栓紧固结合面面压检测方法为准确、可靠的结合面压力检测方法，解决了结合面封闭无法直接检测的难题。根据上述方法确定FBG传感器埋设槽的尺寸及位置，可以保证应变信息的可靠、准确性；综合结合面压力的确定，能够得到准确的应变-结合面压力曲线，为研究螺栓连接结合面压力提供了一种实用可行的方法。

附图说明

图1是本发明的设计原理框图；

图2是带有FBG传感器埋设槽的被连接件立体结构图；

图3是Ⅰ放大视图；

图4是标定得到的应变-结合面压力曲线图。

图中：L为FBG传感器粘贴长度的一半；D为FBG传感器埋设槽宽度；H为FBG传感器埋设槽高度。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明的设计原理如附图1所示，基于光纤光栅的特点和FBG传感器原理，将FBG传感器埋置于被连接内：在被连接件表面上开设合理的埋设槽，按照光纤光栅封装工艺，将其埋设在被连接件内，用来测量连接结合面处的应变值；同时结合薄膜压力传感器，将其置于被连接件之间，用来测量螺栓连接结合面处的压力值，两个传感器实时反馈出不同预紧力下的应变-结合面压力数据，完成标定试验，得到应变-结合面压力曲线图，实际工况下的螺栓连接不允许加装薄膜压力传感器，所以根据标定结果曲线即可研究螺栓连接结合面处的压力情况，应用时读出一个FBG传感器的应变值，在曲线上即准确对应其相应的面压值，为研究螺栓连接结合面压力提供了一种实用可行的方法。

本实施例中，具体参数如下表1所示：

表1参数及对应值

具体步骤如下：

(1)FBG传感器埋设槽尺寸的确定

分析FBG传感器的平均应变传递率、光纤封装工艺及实际加工工艺确定合理的埋设槽尺寸。当FBG传感器的粘贴长度达到一定值时，sinh(kx)和cosh(kx)比较相近，影响参数k的因素即确定了平均传递率的大小，以接近1为目标确定参数，以实际加工精度和封装工艺为前提，本实验确定FBG埋设槽合适的尺寸：埋设槽截面为1*1mm的正方形槽。

(2)FBG传感器埋设槽位置的确定

以FBG传感器的临界粘贴长度和单螺栓连接结合面压力分布理论要求两个角度确定埋设槽位置。

代入上述实验参数并计算得到：

CAL＝l_c＝9.24/k＝46.9mm

以上计算结果结合被连接件表面沿径向压力分布曲线的拟合要求，综合两点确定传感器合适的粘贴位置为环形被连接件半径中点处。

(3)FBG传感器测点位置结合面压力的确定

在结合面上沿半径方向，提取一条完整半径上的正应力数值，去掉埋设槽处2～3个“坏点”，按照p_n(r)＝c₄r⁴+c₃r³+c₂r²+c₁r+c₀进行四次多项式曲线拟合。针对本实验取埋设槽具体位置，即可在拟合曲线中读出具体结合面压力值。

改变螺栓预紧力大小，对应读出FBG传感器应变值，同时分析得到测点位置结合面压力值，两个量实时对应，即得到应变-结合面压力曲线，如附图4所示。实际工况下的螺栓连接不允许加装薄膜压力传感器，根据标定结果曲线，应用时读出一个FBG传感器的应变值，在曲线上即准确对应其相应的面压值，本发明为研究螺栓连接结合面压力提供了一种实用可行的方法。