螺栓应变测试在机匣静力试验中的应用_朱大巍.pdf

114环境技术/Environmental Technology技术专栏echnicalColumnT摘要：为了对某型机匣内连接螺栓进行测量，以获得螺栓拧紧过程中轴向力的大小以及螺栓承受外载荷的大小，制作了一种专用的测力螺栓。通过螺栓拉伸试验拟合螺栓轴向力-应变的关系式和外载荷-应变的关系式，并将其应用于螺栓预紧力与承受载荷评估，获得机匣静载试验中螺栓的预紧力、轴力变化和承受的外载荷。关键词：螺栓应变测试；机匣；轴力评估；载荷评估中图分类号：TH114 文献标识码：A 文章编号：1004-7204(2023)02-0114-05螺栓应变测试在机匣静力试验中的应用Application of Bolt Strain Test in Casing Static Test朱大巍，刘伦荣，刘春华（天津航天瑞莱科技有限公司上海分部，上海 201199）ZHU Da-wei,LIU Lun-rong,Liu Chun-hua(Tianjin Aerospace Reliability Technology Co.,Ltd.Shanghai Branch,Shanghai 201199)A b s t r a c t：In order to obtain the axial tightening force and absorbing load of the connecting bolts in a casing,some special bolts are made.The relationship between the bolts axial force and the bolts strain and the relationship between the bolts absorbing load and the bolts strain obtained using the tensile test are applied to estimate the bolts axial tightening force,the bolts absorbing load during the diffuser casing static test.K e y w o r d s：bolt strain test;diffuser casing;axial force valuation;bolts load valuation引言螺栓连接方式应用最广泛的连接方式，可以在被连接件之间产生很大的预紧压力，同时又便于安装与拆卸 1。标准化的螺栓可以实现大批量的生产，制作和使用成本相对较低，并且可以进行互换，在航空等工业等领域获得大量的应用。机匣是航空发动机燃烧室的重要部件，通常来说，机匣通过螺栓螺母连接附属结构，机匣与附属结构的紧固连接非常重要，紧固螺栓的夹紧力将直接影响机匣装配质量与耐久可靠性 2。工程上螺栓轴力测量方法主要有两种：应变片法，将应变片粘贴到螺栓光杆上，通过测得的应变来换算螺栓的轴力；超声波法，根据不同应力状态下螺栓内部超声波传播速度不同的原理，实现螺栓轴力测量 3-5。机匣的安装螺栓处于机匣内部，在试验状态下难以使用超声探头实时测量螺栓轴力，因此使用应变片法进行螺栓轴力测量与所承受外载荷评估。本文通过应变测试手段，研究静载试验中机匣紧固螺栓轴力的变化和承受的外载荷。1螺栓应变轴力测试方法1.1 螺栓应变片粘贴在螺栓光杆表面粘贴应变片，利用螺栓受力变形测取螺栓表面应变，在用平均应变获得螺栓的轴力。螺栓为 4 2 C r M o 材质的 1 2.9 级内六角 M 8 螺栓，光杆的直径为 8 m m。考虑到螺栓直径较小，中心打孔影响螺栓的结构强度，因此应变测试中螺栓在光杆同一截面上粘贴 2个应变片，取 2 个应变的平均值来建立轴力/外载荷与平均应变的关系。1152023 年 2 月/February 2023echnicalColumnT技术专栏粘贴应变片的螺栓示意图和实物图如图 1 和图 2 所示，应变片敏感珊测量方向与螺栓轴线方向一致，应变片均匀分布在圆周上。1.2 螺栓轴力与外载荷标定试验每个螺栓规格与安装工艺存在一定的差异，正式试验前采用标准试验机加载方法进行螺栓轴力标定试验，建立螺栓轴力-平均应变关系式。为了评估正式试验中螺栓夹紧面承受的外载荷大小，正式试验前实施螺栓夹紧面载荷标定试验，建立螺栓承受的外载荷-平均应变关系式。螺栓轴力与外载荷标定试验装置如图 3 所示，标定工装分成两部分，一部分是带沉孔的长方体和封盖组成；一部分是带螺纹孔的长方体。螺栓轴力标定试验时，工装夹持部分处于分开状态，夹持件之间无预紧力；螺栓夹紧件承受外载荷标定试验时，螺栓施加 2 1 N m力矩，工装夹持部分处于预紧状态。轴力和外载荷标定试验加载最大载荷 3 0 k N，加载卸载速率 5 k N/m i n，测取载荷-应变曲线。1.3 机匣螺栓应变测量粘贴应变片的螺栓经过轴力和外载荷标定试验后安装到机匣中测量安装状态和试验加载状态的平均应变。在机匣安装孔选择四个安装孔安装应变螺栓轴力计，在试验期间监测螺栓的应变，在螺栓预紧接触面打直径 4 m m的半圆孔导出应变片导线，如图 4所示。1.4 测试数据处理公式对试验结果进行统计分析，统计分析公式如下所示：1）均值计算公式：（1）2）样本标准差计算公式：（2）3）变异系数：（3）2试验结果分析2.1 螺栓轴力标定试验螺栓承受拉力载荷与应变数值如表 1 所示，试验所用的 4 个安装螺栓全部进行标定。采用线性拟合的方式图 1 应变片布置示意图图 3 螺栓标定试验装置图 4 机匣螺栓布置位置及应变片走线位置（a）工装示意图（b）试验加载状态图 2 安装应变后螺栓实物116环境技术/Environmental Technology技术专栏echnicalColumnT螺栓编号载荷（kN）应变 1 号()应变 2 号()平均应变()1#5915.0139.0527.0101 389.9645.51 017.7151 829.81 251.01 540.4202 244.31 822.82 033.5252 689.62 449.62 569.6303 100.73 041.53 071.12#51 044.1-124.2459.9101 649.3258.0953.6152 205.7720.61 463.2202 727.01 269.71 998.3253 110.41 934.52 522.4303 385.82 786.73 086.23#5887.2 199.7 543.4 101 322.0 901.2 1 111.6 151 451.5 1 693.7 1 572.6 201 861.1 2 422.7 2 141.9 252 366.9 2 927.2 2 647.1 302 821.1 3 306.2 3 063.7 4#5492.3496.1494.2101 027.61 043.11 035.4151 551.01 582.31 566.6202 049.92 096.72 073.3252 557.12 631.72 594.4303 065.83 141.43 103.6螺栓编号kb拟合优度1#9.7796e-3-3.1845e-20.9992#9.6946e-34.8065e-10.9993#9.6890e-3-3.3662e-10.9994#9.6217e-36.2288e-20.999平均值9.6962E-034.3618E-02/变异系数0.67%/获得螺栓与平均应变之间关系，拟合公式为：Y=k*X+b （4）式中：Y 载荷；k 系数；X 平均应变；b 截距。不同载荷下 4 个螺栓的所测得的应变如表 1 所示，实际安装时由于螺栓轴线与安装孔难以严格对齐，导致螺栓承受一定的弯矩，同一螺栓上对称的应变片测得的数值有明显差异。螺栓拟合参数如表 2 所示，线性拟合优度均为 0.9 9 9，线性度较好。拟合参数中的b 值表现出较明显的随机性，平均值较小，并且理论上 b 值应为零，因此此处将 b 值当作系统误差处理，根据应变计算轴力时不考虑该参数。螺栓载荷与平均应变拟合公式平均 k 值为 9.6 9 6 2 E-0 3，变异系数 0.6 7%，表明所用的应变螺栓稳定性较好，后续通过平均 k 值评估螺栓的轴力。2.2 螺栓夹紧件外载荷标定试验螺栓施加2 1 N m的预紧力矩将标定工装连接到一起，然后施加外载荷获得载荷与应变之间的关系。试验所用的4 个安装螺栓均进行标定试验，测试结果如表 3 所示。将施加 2 1 N m扭矩后的应变作为零点，去除安装应变获得外载荷下应变增量，统计参数如表 4 所示。载荷与应变不是线性关系，载荷较大时外载荷与螺栓平均应变拟合曲线如图 5 所示，使用三次多项式拟合，拟合优度近为 0.9 9 9 8，拟合曲线为：y=1.8 8 3 e-9 x3-9.0 3 4 e-6 x2+2.5 1 8 E-2 x+1.5 6 2 e-1 （5）式中：y 外载荷（k N）；x 平均应变（）。2.2 机匣螺栓预紧力测试正式试验中测量安装螺栓应变计安装过程中的安装应变，预紧力矩为 2 1 N m。受到拧紧螺栓操作的影响测试初期螺栓应变不稳定，但是后期逐渐稳定。取试验后表 1 拉力载荷与应变关系表 2 螺栓载荷与应变拟合参数期稳定段的应变数据进行轴力分析，应变统计结果如表和表 2 所示。根据表 2 和表 3 的测试数据可以计算相应的螺栓安1172023 年 2 月/February 2023echnicalColumnT技术专栏螺栓编号应变编号21 Nm5 kN10 kN15 kN20 kN25 kN30 kN1#1884.2 1 059.4 1 294.7 1 555.9 1 831.4 2 192.3 2 579.6 21 368.6 1 585.7 1 837.1 2 227.9 2 684.9 3 185.2 3 646.3 平均1 126.4 1 322.6 1 565.9 1 891.9 2 258.2 2 688.8 3 113.0 2#11 916.5 1 873.8 2 057.1 2 211.9 2 384.1 2 518.0 2 668.5 2204.8 577.5 939.2 1 448.8 2 107.6 2 741.7 3 526.5 平均1 060.6 1 225.6 1 498.1 1 830.3 2 245.9 2 629.8 3 097.5 3#1-115.5-34.2 198.1 517.0 989.2 1 373.9 1 955.8 22 031.1 2 408.3 2 719.9 2 998.1 3 346.9 3 651.4 4 157.0 平均957.8 1 187.1 1 459.0 1 757.5 2 168.1 2 512.6 3 056.4 4#1771.1 1 023.3 1 394.2 1 780.8 2 148.7 2 785.9 3 221.4 21 336.0 1 462.9 1 637.8 1 854.8 2 120.5 2 632.2 3 044.2 平均1 053.5 1 243.1 1 516.0 1 817.8 2 134.6 2 709.0 3 132.8 螺栓编号5 kN10 kN15 kN20 kN25 kN30 kN1#196.2 439.5 765.5 1 131.8 1 562.4 1 986.6 2#165.0 437.5 769.7 1 185.2 1 569.2 2 036.9 3#229.2 501.2 799.7 1 210.2 1 554.8 2 098.5 4#189.6 462.5 764.3 1 081.1 1 655.5 2 079.3 平均应变195.0 460.2 774.8 1 152.1 1 585.5 2 050.3 变异系数(%)13.57 6.43 2.16 4.99 2.97 2.42 表 3 拉力载荷与试验应变（单位：）表 4 外载荷标定试验应变统计参数（单位：）表 5 螺栓安装状态应变结果表 6 螺栓安装状态应变结果图 5 外载荷与螺栓平均应变拟合曲线螺栓编号第 1 次安装第 2 次安装应变片1应变片2平均应变应变片1应变片2平均应变1#1 348.711261 237.3985.41 562.41 273.92#1 131.81 328.51 230.11 160.11 005.51 149.23#530.51 682.61 106.5365.71 865.61 115.64#1 226.31 020.91 184.81 283.41 314.31 149.8螺栓编号平均应变 1轴力 1(kN)平均应变 2轴力 2(kN)11 237.312.00 1 273.912.35 21 230.111.93 1 149.211.14 31 106.510.73 1 115.610.82 41 184.811.49 1 149.811.15 统计平均：11.45 kN，变异系数：5.24%装预紧力，如表 4 所示。2 1 N m的安装力矩下，螺栓平均安装预紧力为 1 1.4 5 k N，变异系数为 5.2 4%，表明螺栓的安装工艺能提供较稳定的预紧力。2.3 机匣螺栓轴力测试螺栓安装后在机匣上施加拉力载荷，试验期间监测各个螺栓应变计的应变变化，并根据所测得的应变计算螺栓的轴力和承受的外载荷。正式试验两个加载工况下，以施加 2 1 N m对应的应变为零点，4 个安装螺栓测得的应变如表 7 所示。根据118环境技术/Environmental Technology技术专栏echnicalColumnT测得应变获得轴力变化与外载荷如表 8 所示，工况 1 螺栓轴力变化平均值为 1.0 8 k N，承受外载荷平均值为 2.8 6 k N；工况 2 螺栓轴力变化平均值为 5.1 7 k N，承受外载荷平均值为 1 1.2 8 k N。根据应变计算出的外载荷与施加载荷较为一致，螺栓轴力变化离散性小于 1 5%，承受外载荷的离散性小于 1 3%，表明再承受外载荷的状态下联接螺栓承受的载荷较为均匀，设计合理。3 结论本文提出了基于螺栓应变法的统计分析方法，对某型机匣静载试验过程中螺栓轴力和承受的外载荷进行评估。该方法考虑了每个螺栓安装工艺差异，基于试验测试结果建立了轴力-应变经验公式和承受外载状态类型1#螺栓2#螺栓3#螺栓4#螺栓平均值变异系数工况 1平均应变94.88133.08110.87108.69-轴力变化0.921.291.081.051.0814.13外载荷2.47 3.35 2.84 2.79 2.86 12.81工况 2平均应变442.71606.31544.99538.56-轴力变化4.295.885.285.225.1712.68外载荷9.70 12.52 11.50 11.39 11.28 10.38 螺栓编号测点编号工况 1工况 21#439167.56569.9044022.20315.52平均94.88442.714#44558.40505.33446207.76707.29平均133.08606.315#447-169.53-8.40448391.261098.37平均110.87544.996#44959.97490.02450157.40587.09平均108.69538.56表 7 螺栓应变测试结果（应变：）表 8 螺栓轴力和外载荷计算结果（应变：）作者简介:朱大巍（1985-），男，博士，高级工程师，主要研究领域：振动、噪声、环境可靠性。1 秦大同,谢里阳.现代机械设计手册 M.北京：北京工业出版社,2011.2 刘长福,邓明.航空发动机结构分析 M.西安：西北工业大学出版社,20063 魏涛,王洋,李红松,等.基于应变的螺栓拧紧轴力测量与研究J.内燃机与动力装置,2011(5):1-3.4 王小杰,李树栋,阮国靖,等.基于应变的螺栓轴向紧固力测量及衰减规律的研究 J.2017(2):68-72.5 孙朝明,孙凯华,孙鹏飞,等.超声法测量螺栓轴向力的测量准确度分析 J.振动与冲击,2021,40(8):85-91.参考文献:荷-应变经验公式，并对螺栓轴力和载荷的离散性进行了评估，其结果更适合工程应用。此外，本次试验结果可以为类似状态下 M8 螺栓的轴力和载荷评估提供参考。