一种基于模态参数表征的切向单螺栓松弛测量装置和方法

摘要

本发明公开了一种基于模态参数表征的切向单螺栓松弛测量装置和方法，属于机械制造及结构力学领域。所述测量装置包括螺栓拉伸试验机及切向试件、螺栓数据采集系统、LMS振动测试系统。所述方法是利用拉伸试验机和切向件以及螺栓数据采集系统获得螺栓松弛规律曲线，通过划分螺栓松弛的各个特征阶段，利用LMS振动测试系统测取不同松弛阶段的模态参数，最终由模态参数来表征螺栓松弛特性。使用上述装置及方法，改变不同振动频率及加载载荷，获取模态参数表征多种参数影响下的螺栓松弛特性。本发明涉及一种改进的切向连接试件，保证了螺栓连接特性及其松弛的测定，提高了螺栓松弛测定精度，同时提出了一种利用模态参数来表征切向单螺栓松弛的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于模态参数表征的切向单螺栓松弛测量装置和方法，属于机械制造及结构力学领域。

背景技术

在实际工程中，利用紧固件如螺栓装配各类结构元件的机械连接是最常用的连接形式之一。结构在冲击、振动等力学环境下，螺栓连接往往会出现滑动、分离甚至松脱等现象，从而导致螺栓松弛。螺栓松弛是导致紧固件连接疲劳失效、破坏结构完整性的主要机制之一。模态参数是关于结构质量、阻尼以及刚度的函数。模态参数能够表征结构件刚度、振动特性和阻尼特性等连接件紧固特性。国内外学者在结合面动静态模态特性方面做了大量的研究，得出了基于结合面模态特性的测试方法，揭示了结合面模态特性的规律，但模态特性与螺栓松弛相结合的研究尚属欠缺。对于螺栓连接件松弛状态的监测，很难直接测量接触面力的传递机及相对位移来实现。根据模态参数可以用来表征螺栓松弛过程中连接刚度、固有频率以及阻尼的变化。因而通过改变施加载荷与加载振动频率并测取模态参数的变化来探究基于模态参数表征的切向单螺栓松弛规律。

为了系统性地探究基于模态参数表征的切向螺栓松弛规律，需要结构简单又能满足要求的、测试精度较高的装置和相应的研究方法。

发明内容

本发明所要解决的问题是针对现有装置中螺栓松弛过程模态参数变化无法测取以及松弛和振动位移之间关系不明确的问题。

为解决上述技术问题，本发明是设计了一套精度高、结构简单又能满足要求并且完整的考虑模态参数的切向单螺栓松弛测量装置和方法。该装置通过LMS振动测试系统来测取模态参数，结合拉伸试验机和力学传感器、位移传感器采集的数据，改变加载振动频率和加载载荷，综合分析得出松弛规律。

本发明所采取的具体技术方案为：一种基于模态参数表征的切向单螺栓松弛测量装置通过LMS振动测试系统来测取试件整体的模态参数,用拉伸试验机夹持切向试件，并给其提供可变频率以及施加载荷并加载循环力，随着循环加载，获得力学、位移随时间变化数据，再将循环次数依次划分，按照先测模态获得模态参数再进行拉伸试验，拉伸试验完成后再进行模态参数测取分析的过程重复试验，最终在模态参数、力学数据和位移数据综合分析下得出精度高，较为准确利用模态参数来表征的切向单螺栓松弛规律。

为实现上述目标，本发明采用的技术方案为一种基于模态参数表征的切向单螺栓松弛测量装置包括拉伸试验机1、上连接件2、压力传感器3、螺杆4、下连接件5、螺母6、电涡流传感器7，压力传感器3。LMS振动测试系统用来测试模态参数包括固有频率、阻尼比以及模态振型。

切向装置的上连接件2和下连接件5的两端分别夹在拉伸实验机1上，如图2所示。利用疲劳拉伸试验机加载循环载荷，通过改变加载振动频率、控制加载循环次数，划分螺栓松弛阶段。

切向装置从上到下依次是上连接件2、螺杆4、压力传感器3、下连接件5、螺母6，如图3所示。上连接件2和下连接件5通过固定尺寸的接触面接触，螺栓6通过数显力矩扳手拧紧。压力传感器3串联在螺栓头部4和上连接件2之间，压力传感器3依次连接数字放大器8和数据采集卡9最终将测得的数据实时输出至计算机对应采集软件中，通过计算机数据采集系统实时监测螺栓夹紧力，获得螺栓夹紧力随着时间变化的F-t曲线。上连接件2右端有方形带孔薄板，目的是固定电涡流位移传感器7，并实现电涡流位移传感器7的上下调节，将电涡流位移传感器7的下端探头安装至距离下连接件5右侧的方形薄板上端2-3mm处。电涡流位移传感器7使用LMS数据采集系统进行连接，获得精度较高的振动下接触面间的位移随时间变化的S-t图。

压力传感器3为环状结构，压力传感器3的内孔的符合螺栓安装孔径，大小为螺杆4直径+1mm。压力传感器3的量程大精度高，采集的数据能够实时记录监测并自行生成F-t曲线，压力传感器3的数据保存以便于后续分析。

所述上连接件2、下连接件5和压力传感器3均与待测螺栓4的螺杆间隙配合。

上连接件5和下连接件2两端分别夹在拉伸试验机上，利用疲劳拉伸试验机加载循环载荷，改变加载的频率，控制加载循环的次数，划分螺栓松弛阶段。

有益效果

为了解决现有装置中松弛过程模态参数变化无法测取以及松弛和振动位移之间关系不明确的问题。

1)设计了一套切向单螺栓松弛测量装置，结构简单，且符合刚度需求，在能够获得实验数据和预期结果的同时没有改动试件连接结构。

2)采用特殊定制、精度高的压力传感器，能够实时输出数据和保存，同时结合拉伸试验机的高精度加载和频率控制，保证了输出数据的准确性，对于后续分析提供了大量的、精确的数据基础。

3)采用了LMS振动测试仪，测取并建立了模态参数数据库，比较了模态参数随时间的变化，表明了模态参数和松弛之间的关系。

4)说明了振动下零件间相对位移和松弛之间的关系，表明了夹紧力的衰减和位移之间的关系。

附图说明

图1是测试基于模态特性的切向单螺栓松弛规律的系统框图。

图2是切向单螺栓松弛测量装置及其附件构成系统图。

图3是切向结构主要装置局部剖视图。

图4是切向螺栓装置上连接件主视图。

图5是切向螺栓装置上连接件俯视图。

图中：1--拉伸试验机、2--上连接件、3—压力传感器、4—螺栓螺杆、5--下连接件、6--螺母、7—电涡流位移传感器、8--数字信号放大器、9—信号采集卡、10—电脑采集软件。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明进行详细说明。

步骤一：将整个连接试件通过LMS振动测试仪测取其模态参数并建立相应的数据库，包括固有频率、阻尼比和模态振型等参数作为模态特性的初始参照值。启动拉伸试验机1，进行增压预热；压力传感器3、数字信号放大器8、数据采集卡9和计算机10依次连接起来，通过软件设置并将初始值调零；压力传感器3穿在螺杆4上；将螺杆4、压力传感器3、上连接件2、下连接件5、螺母6依次串联；控制数显扭矩扳手来控制螺栓的预紧力，设定螺栓预紧力的初始值，计算机显示的压力传感器3达到相应初始值时停止拧紧。将所连接的试件加在拉伸试验机1上，设定加载振动频率和加载载荷大小，并设置循环类型和循环次数；开启拉伸试验，并记录压力传感器7输出的F-t曲线图和相应的力时间二维数据、电涡流位移传感器7输出的S-t曲线和相应的位移时间二维数据。实验完成后，保存并输出数据。实验后将试件从拉伸试验机上取下并通过LMS振动测试系统测取其模态参数，获得相应数据固有频率、阻尼比、模态振型。

步骤二：重复以上实施过程，通过特定加载振动频率、加载载荷的情况下几组螺栓松弛拉伸试验可获得螺栓松弛特性即夹紧力随时间的衰减曲线。将螺栓松弛的夹紧力随时间衰减F-t图划分，定义松弛阶段为N，划分N为10个阶段，N₁、N₂、N₃、N₄、N₅、N₆、N₇、N₈、N₉、N₁₀，其中N₁～N₅定义为快速松弛阶段，N₆～N₁₀为缓慢松弛阶段，快速和缓慢松弛阶段按照循环次数划分,标注对应的循环次数、夹紧力、固有频率、阻尼比、模态振型。如下表所示：

N₁N₂N₃N₄N₅N₆N₇N₈N₉N₁₀循环次数夹紧力固有频率阻尼比模态振型

步骤三：每到一个松弛阶段，停止试验，将连接试件整体卸下，通过LMS振动测试系统测取其模态参数，然后重复步骤一的操作和实施方法，拉伸试验继续采用同样的加载振动频率和加载载荷，以此重复N₁、N₂、N₃、N₄、N₅、N₆、N₇、N₈、N₉、N₁₀这十个阶段。

步骤四：利用控制变量法，改变螺栓加载振动频率或加载载荷，重复步骤一、二、三，获得相应数据并保存分析。

试验后获得数据包括：力随时间变化F-t的二维数组,位移随时间变化关系S-t的二维数组,模态参数。本方法想要获得的几种关系为:螺栓夹紧力随着循环时间的衰减特性曲线即F-t图，螺栓松弛过程中结合面切向位移时间图即S-t图，螺栓松弛过程中模态参数随着时间的变化规律。通过综合分析，获得在改变加载振动频率和加载载荷下的螺栓松弛特性以及分节点松弛数据和模态参数，获得基于模态参数表征的螺栓松弛规律。