基于OFDR螺栓装配过程中应力分布的实验研究
基于OFDR螺栓装配过程中应力分布的实验研究
螺栓连接是机械工程中常见的连接方式,其装配过程中的应力分布情况直接影响连接的可靠性和安全性。本文通过OFDR(光频域反射)分布式光纤传感技术,对螺栓装配过程中的应变分布进行了实时监测,并通过实验数据分析了应力分布与拧紧扭矩之间的关系。
1. 概述
通过OFDR分布式光纤传感技术,可以准确地获取螺栓中的应变分布情况,实现螺栓内部应变分布的实时监测。通过换算可以获得应力分布与拧紧扭矩之间的直接关系,有助于在实际工程应用装配过程中监测螺栓内部应力,防止极端载荷作用下螺栓断裂等问题的发生。
2. 测试过程
实验使用动态分布式光纤传感系统(OSI-D),空间分辨率选用1.28mm。实验设置如图1所示,它由三个主要模块组成:螺栓加载操作器模块、应变测量模块和压力传感器模块。螺栓加载操作模块负责螺栓的装配,测试台有一个48mm深的螺纹孔,根据ISO公制M20螺纹规格加工。如图2所示,使用车床在M20螺栓内部钻出直径为5mm通孔,为了便于光纤的粘附,通过线切割工艺在孔内切割一个直径为0.3mm的导槽,将直径为0.155mm的PI光纤布设在导槽中,用于轴向变形测量。
图1 实验设置
图2 光纤布设图
3. 实验结果
在实验中,对螺栓以3 N·m - 9 N·m扭矩进行拧紧。每次对实验装置施加扭矩后,通过OSI - D设备测量出螺栓的轴向应变和应力分布情况,其应变分布如图3所示。
图3 应变分布图
当T=3 N·m时,可以发现螺栓在装配过程中不同时刻的轴向应变分布规律基本相同。自由边界处的应变几乎可以忽略不计,而在一定范围内从该边界处逐渐增大。可以看到加载面附近的应变明显减小。此外,随着装配过程中扭矩的增大,轴向应变也随之增大。其他转矩情况下的应变演化规律与T=3 N·m时相似。
由式σ=Eε可得到不同拧紧力矩下的应力分布。
图4 应力分析图
对比分析图4中的应力分布,发现了应力减小现象。对于T=3 N·m的情况,随着与自由面距离的增加,应力保持在零附近,直到黑色虚线所示的位置。然后随着距离的增加,应力逐渐增大。在靠近加载面的某一位置,如红色虚线所示,应力达到最大值,并趋于逐渐减小,直到蓝色虚线所示的加载面。其他情况下的应力分布曲线与T=3 N·m时相同。靠近自由面的前6根螺纹的应力几乎为零。这种现象表明,大部分预紧力是由靠近加载面的螺栓的前几节螺纹承担的。
图5 拟合曲线图
不同扭矩下螺栓中的最大应力如图5所示。经过线性拟合,可以发现,最大应力基本上与扭矩呈线性关系。
4. 与以往研究的对比
为了验证本实验所得结果的准确性,在装配力矩为3~6 N·m时,与山本模型结果进行对比,如图6所示。在距加载面1.5螺纹节距处,实验中应变逐渐减小,而在山本模型中应变仍在增大,如图6黑色虚线所示。此外,在应变减小发生之前,实验曲线和理论曲线基本一致。因此,山本模型与实验结果吻合较好。
图6 山本模型对比图
5. 结论
本文提出的利用OFDR技术的实验方法可以实现对螺栓装配过程中应变分布的实时测量,对工程应用具有重要意义。该方法不仅提高了测量精度,还提供了新的研究方向和方法来理解和优化螺栓连接的性能。
本文原文来自网易新闻