一種間接測量裝配結合面應力分布的系統及方法
2023-05-12 16:45:26 1
一種間接測量裝配結合面應力分布的系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種間接測量裝配結合面應力分布的系統及方法，間接測量裝配結合面應力分布的系統包括：感壓紙、應變片、壓力傳感器、顯示裝置、掃描儀和計算機。間接測量裝配結合面應力分布的方法為：首先，建立鄰側面應力與結合面應力分布對應關係，通過將感壓紙放入部件Ⅰ與部件Ⅱ的結合面之間一段時間後取出，掃描儀將感壓紙的顏色分布情況掃描成圖像輸入到計算機，計算機繪製出結合面應力等值線圖，應力等值線在鄰側面上的延伸線上粘貼應變片；然後，通過測量應變片的應力即可確定結合面的應力分布。本發明公開的是一種新的測量裝配結合面應力分布的方法，利用本發明測量應力分布成本低、且方法簡單。
【專利說明】一種間接測量裝配結合面應力分布的系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及裝配測量【技術領域】，具體為一種間接測量裝配結合面應力分布的系統及方法。
【背景技術】
[0002]各類機械都是由各種零部件按具體要求裝配起來的，零部件之間相互結合、接觸的表面被稱為「結合面」。研究發現，結合面的力學特性對機械設備的整機特性有明顯的影響，機械設備剛度、阻尼、靜變形量均來自結合面。結合面應力分布規律是結合面特性的一個重要方面，對結合面的靜態、動態特性有重要影響。
[0003]現有的測量結合面應力分布的方法主要有超聲法、薄膜法等。超聲法是利用結合面的超聲波反射直接檢測結合面的接觸狀態，便於實現非接觸、自動化檢測，但設備昂貴。薄膜法是在結合面之間加入一種能隨壓力變色的感壓紙，由感壓紙顏色的深淺情況獲得壓力分布，方法簡單，其缺點是每次測量均要將感壓紙取出觀察，不便於在線測量，而且感壓紙價格較貴，不適合需要大量測量的場合。此外，在結合面之間加入感壓紙在一定程度上改變了結合面的接觸狀態，因此設備在最終裝配時必須將感壓紙取出，否則將影響裝配性能。
[0004]在工程實際中，由於接觸界面的幾何特性和安裝位置等因素的限制，以上測量方法在很多情況下無法滿足結合面的應力分布測量。由於物體上的應力分布具有連續性，在結合部連接邊緣不發生局部應力集中情況下，結合面上的一些應力等值線必然有部分延伸到其鄰側面上。根據應力分布的連續性原理可知，結合部鄰側面應力分布與結合面應力分布有一定關聯性，在建立結合部鄰側面應力與結合面應力分布間的對應關係的基礎上，通過測量鄰側面應力間接獲取結合面應力分布將給結合面應力分布測試帶來極大方便。
【發明內容】
[0005]本發明針對設備在工作中裝配結合面應力測試設備昂貴、成本較高且受接觸界面的幾何特性和安裝位置等因素的影響操作複雜的問題，而提出一種間接測量裝配結合面應力分布的系統及方法，本發明利用應力分布的連續性原理，建立鄰側面應力與結合面應力分布對應關係，通過測量鄰側面的應力來確定結合面的應力分布。
[0006]本發明的技術手段如下:
[0007]一種間接測量裝配結合面應力分布的系統，部件I與部件II通過螺栓把合，部件I與部件II相貼合的面為結合面，與結合面相鄰的側面為鄰側面，其特徵在於所述間接測量裝配結合面應力分布的系統包括:
[0008]安裝在部件II側的螺栓頭部、用於測量所述螺栓預緊力的壓力傳感器；
[0009]用於測量所述結合面應力分布的感壓紙；所述感壓紙夾設在所述部件I和部件II的結合面之間；當給所述感壓紙施加應力時，感壓紙會根據應力的大小表現出不同的顏色；
[0010]設置在所述部件II鄰側面上的多個應變片；
[0011]與所述壓力傳感器和所述應變片連接，用於顯示壓力傳感器和應變片所測數值的顯示裝置；
[0012]用於將所述感壓紙顏色分布情況掃描成圖像的掃描儀；
[0013]以及計算機；所述掃描設備掃描出的圖像輸入到所述計算機，所述計算機根據圖像繪製所述結合面的多條應力等值線；
[0014]所述應變片設置在所述應力等值線在所述鄰側面的延伸線上。
[0015]進一步地，所述顯示裝置為應變儀。
[0016]進一步地，和結合面應力變化快的部位相對應的鄰側面位置設置的應變片密，和結合面應力變化緩慢的部位相對應的鄰側面位置設置的應變片疏。
[0017]進一步地，所述應變片為電阻應變片，所述電阻應變片為長方形，所述應變片的長邊垂直於所述結合面與鄰側面的交線，所述多個應變片平行設置，且與所述交線的距離相等，所述應變片與所述交線的距離為O?5mm ;所述相鄰應變片之間的距離為O?30mm。
[0018]進一步地，所述壓力傳感器為電阻應變式壓力傳感器。
[0019]一種間接測量裝配結合面應力分布的方法，其特徵在於包括以下步驟:
[0020]步驟A:建立鄰側面應力與結合面應力分布對應關係；
[0021]Al:在部件II側的螺栓頭部安裝壓力傳感器，將壓力傳感器與用於顯示壓力傳感器測量數據的顯示裝置連接；
[0022]A2:部件I與部件II的結合面中間放入感壓紙，將部件I與部件II的結合面緊密貼合且通過安裝有壓力傳感器的螺栓固定連接；
[0023]A3:給螺栓施加基準預緊力，達到感壓紙測量壓力所需要的時間後，撤去基準預緊力並取出感壓紙，用掃描儀將感壓紙的顏色分布情況掃描成圖像輸入到計算機中，計算機通過感壓紙顏色的深淺程度分析出結合面應力分布情況，並繪製部件II的結合面應力等值線圖；
[0024]A4:選取η條應力等值線,在η條應力等值線鄰側面的延伸線上的相應位置粘貼η個應變片，η為大於零的整數，應變片靠近結合面與鄰側面的交線粘貼；將應變片與用於顯示應變片測量數據的顯示裝置連接；這樣η片應變片測得的應力就和η條應力等值線建立了一一對應關係，即建立了鄰側面應力與結合面應力分布對應關係；
[0025]步驟B:通過測量鄰側面應力確定結合面應力分布；
[0026]部件I與部件II裝配完成後，結合面間不用再放入感壓紙，即可根據建立的鄰側面與結合面應力分布對應關係，通過測量應變片的應力值確定結合面應力分布。
[0027]進一步地，所述顯示裝置為應變儀；所述應變片為電阻應變片；所述壓力傳感器為電阻應變式壓力傳感器；和結合面應力變化快的部位相對應的鄰側面位置設置的應變片密，和結合面應力變化緩慢的部位相對應的鄰側面位置設置的應變片疏。
[0028]本發明為裝配結合面的應力分布的測量提供了一種新的系統和測量方法，該方法的有益效果是:通過測量裝配結合面的鄰側面的應力，間接獲取結合面的應力分布情況，不用破壞結合面的接觸狀態，且不影響工具機機構的裝配和實用。該發明的間接測量裝配結合面應力分布的系統採用壓力傳感器、應變片、感壓紙、應變儀、掃描儀和計算機等即可通過間接測量應變片的應力值完成對裝配結合面應力分布測量，相對於超聲法等測量方式，測量成本低。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1本發明實施例間接測量裝配結合面應力分布的系統示意圖；
[0030]圖2為本發明實施例部件II結構示意圖；
[0031]圖3為本發明部件II結合面應力等值線圖；
[0032]圖4為本發明實施例部件I與部件II通過螺栓把合後側面局部示意圖；
[0033]圖5為圖1中右上角螺栓施加60KN預緊力時結合面應力等值線與鄰側面應變片的對應關係。
[0034]圖中:1、部件I，2、部件II，3、螺栓，4、感壓紙，5、應變片，6、壓力傳感器，7、顯示裝置，8、掃描儀,9、計算機，a、結合面，b、鄰側面。
【具體實施方式】
[0035]圖1?圖5中所示的一種間接測量裝配結合面應力分布的系統，部件I I與部件II 2通過螺栓3把合，部件I I與部件II 2相貼合的面為結合面a，與結合面a相鄰的側面為鄰側面b，間接測量裝配結合面應力分布的系統包括壓力傳感器6、感壓紙4、應變片5、顯示裝置7、掃描儀8和計算機9。其中壓力傳感器6優選為電阻應變式壓力傳感器，安裝在部件II 2側的螺栓3頭部，用於測量螺栓3預緊力。當給感壓紙4施加應力時，感壓紙4會根據應力的大小表現出不同的顏色，將感壓紙4夾設在部件I I和部件II 2的結合面a之間所需時間，感壓紙4即可表現結合面a的應力分布情況。應變片5優選為電阻應變片，設置在部件II 2鄰側面b上，電阻應變片將鄰側面b上的應變的變化轉化成電阻的變化，再由專用設備測得應變片5的電阻變化大小，並轉換成所測點的應變值。顯示裝置7與壓力傳感器6和應變片5連接，用於顯示壓力傳感器6和應變片5所測數值，顯示裝置7優選為應變儀。將掃描設備掃描出的圖像輸入到計算機9，計算機9根據圖像繪製結合面a的多條應力等值線。應變片5設置在所述應力等值線在所述鄰側面b的延伸線上，和結合面a應力變化快的部位相對應的鄰側面b位置設置的應變片5密，和結合面a應力變化緩慢的部位相對應的鄰側面b位置設置的應變片5疏。
[0036]其中電阻應變片為長方形，應變片5的長邊垂直於結合面a與鄰側面b的交線，多個應變片5平行設置，且與所述交線的距離相等，應變片5與交線的距離為O?5mm ;相鄰應變片5之間的距離為O?30mm。
[0037]一種間接測量裝配結合面應力分布的方法，包括:建立鄰側面應力與結合面應力分布對應關係和通過測量鄰側面應力確定結合面應力分布兩個步驟。
[0038]A:建立鄰側面應力與結合面應力分布對應關係:
[0039]Al:在部件II 2側的螺栓3頭部安裝壓力傳感器6，將壓力傳感器6與用於顯示壓力傳感器6測量數據的顯示裝置7連接，壓力傳感器6用於測量結合面a裝配時的預緊力。
[0040]A2:在部件I I與部件II 2的結合面a中間放入感壓紙4，將部件I I與部件II 2的結合面a緊密貼合且通過安裝有壓力傳感器6的螺栓3固定連接，如圖1和圖3所示。
[0041]A3:給螺栓3施加的基準預緊力，達到感壓紙4測量壓力所需要的時間後，撤去基準預緊力並取出感壓紙4，用掃描儀8將感壓紙4的顏色分布情況掃描成圖像輸入到計算機9中，計算機9通過感壓紙4顏色的深淺程度分析出結合面a應力分布情況，並繪製部件II 2的結合面a的應力等值線圖。給所有螺栓3施加60KN的預緊力，得到的應力等值線如圖3所示。
[0042]A4:選取η條應力等值線，η條應力等值線在鄰側面b的延伸線上的相應位置粘貼η個應變片5，η為大於零的整數，應變片5靠近結合面a與鄰側面b的交線粘貼；將應變片5與用於顯示應變片5測量數據的顯示裝置7連接；這樣η片應變片5測得的應力就和η條應力等值線建立了一一對應關係，即建立了鄰側面應力與結合面應力分布對應關係。以圖1中右上角的螺栓3為例，選取應力值為2MPa、6MPa、llMPa、23MPa、28MPa的6條應力等值線，這6條應力等值線在鄰側面b上的延伸線上粘貼6個相應的應變片5，如圖4和圖5所示，由於物體上應力分布具有連續性，結合面a上的一些應力等值線就會部分延伸到其鄰側面b上,對於鄰側面b上的某應變片5，其應力值與結合面a上某條應力等值線的應力值相等，則可認為應變片5剛好處於結合面a等值線在其鄰側面b上的延伸線上，這樣應變片5的應力值就和相應的等值線的應力值建立了--對應的關係，布置適當多的應變片5就可間接測量出結合面a的應力分布情況。
[0043]兩部件結合面的應力集中分布在螺栓等固定件的附近，所以只需測量螺栓等固定件附近的應力變化就能反映出要測量的結合面的應力變化情況。聖維南原理(SaintVenantJ s Principle)是彈性力學的基礎性原理,其內容是:分布於彈性體上一小塊面積(或體積)內的荷載所引起的物體中的應力，在離荷載作用區稍遠的地方，基本上只同荷載的合力和合力矩有關；荷載的具體分布只影響荷載作用區附近的應力分布。在實際生產裝配中，連接兩個部件的螺栓等固定件一般相距不會太近，根據聖維南原理(Saint Venant’sPrinciple)可知同時給相距不太近的螺栓施加預緊力，螺栓附近的結合面應力等值線不會相互影響。對於結合面上遠離螺栓的部位，由於受力較小、對結合面特性影響較小，所以不需對其測量，不需設置應變片5。
[0044]在結合部載荷作用位置和方向不變的情況下，改變載荷大小，則應力等值線圖的形狀變化幅度很小，只是相同位置的等值線代表的應力值不同而已，所以不論螺栓預緊力如何變化，每個應變片5測出的應力值代表的應力等值線是不變的，則能夠根據鄰側面b上的應變片5迅速快捷的確定結合面a應力分布。
[0045]步驟B:通過測量鄰側面應力確定結合面應力分布；
[0046]部件I I與部件II 2裝配完成後，結合面a間不用再放入感壓紙4，即可根據建立的鄰側面與結合面a應力分布對應關係，通過測量應變片5的應力值確定工具機結合面a應力分布。部件I I與部件II 2裝配完成後，螺栓3的預緊力會隨著工作時間的變化發生變化，這時只需測量應變片5的應力值與裝配時測得的應力值對比是否相等就能檢測出螺栓3預緊力是否有變化，即螺栓3是否有鬆動。
[0047]本發明測量裝配結合面應力分布的方法簡單，成本較低，建立鄰側面應力與結合面應力分布對應關係後，在實際的裝配過程中，不需要感壓紙4和壓力傳感器6，只需測量鄰側面b上應變片5的應力值即可確定結合面a的應力分布情況。
[0048]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，根據本發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種間接測量裝配結合面應力分布的系統，部件I (1)與部件II (2)通過螺栓(3)把合，部件I (1)與部件II (2)相貼合的面為結合面^)，與結合面(幻相鄰的側面為鄰側面化)，其特徵在於所述間接測量裝配結合面應力分布的系統包括: 安裝在部件II (2)側的螺栓(3)頭部、用於測量螺栓(3)預緊力的壓力傳感器(6)； 用於測量所述結合面仏)應力分布的感壓紙(4)；所述感壓紙(4)夾設在所述部件I(1)和部件II⑵的結合面⑷之間；當給所述感壓紙⑷施加應力時，感壓紙⑷會根據應力的大小表現出不同的顏色； 設置在所述部件II (2)鄰側面(幻上的多個應變片(5)； 與所述壓力傳感器(6)和所述應變片(5)連接，用於顯示壓力傳感器(6)和應變片(5)所測數值的顯示裝置(7)； 用於將所述感壓紙(4)顏色分布情況掃描成圖像的掃描儀(8)； 以及計算機(9)；所述掃描設備掃描出的圖像輸入到所述計算機(9),所述計算機(9)根據圖像繪製所述結合面的多條應力等值線； 所述應變片(5)設置在所述結合面(幻應力等值線在所述鄰側面$)的延伸線上。
2.根據權利要求1所述的間接測量裝配結合面應力分布的系統，其特徵在於:所述顯示裝置(7)為應變儀。
3.根據權利要求1所述的間接測量裝配結合面應力分布的系統，其特徵在於:和結合面(幻應力變化快的部位相對應的鄰側面(幻位置設置的應變片(5)密，和結合面(￡1)應力變化緩慢的部位相對應的鄰側面(幻位置設置的應變片(5)疏。
4.根據權利要求1所述間接測量裝配結合面應力分布的系統，其特徵在於:所述應變片(5)為電阻應變片，所述電阻應變片為長方形，所述應變片(5)的長邊垂直於所述結合面(幻與鄰側面㈦的交線，所述多個應變片(5)平行設置，且與所述交線的距離相等，所述應變片⑶與所述交線的距離為0?5臟；所述相鄰應變片(5)之間的距離為0?30臟。
5.根據權利要求1?4任一項所述的間接測量裝配結合面應力分布的系統，其特徵在於:所述壓力傳感器(6)為電阻應變式壓力傳感器。
6.一種間接測量裝配結合面應力分布的方法，其特徵在於包括以下步驟: 步驟八:建立鄰側面應力與結合面應力分布對應關係； 八1:在部件II (2)側的螺栓(3)頭部安裝壓力傳感器￠)，將壓力傳感器(6)與用於顯示壓力傳感器(6)測量數據的顯示裝置(7)連接； 八2:部件I⑴與部件II⑵的結合面⑷中間放入感壓紙⑷，將部件I⑴與部件II(2)的結合面(幻緊密貼合且通過安裝有壓力傳感器￠)的螺栓(3)固定連接； 八3:給螺栓⑶施加基準預緊力，達到感壓紙⑷測量壓力所需要的時間後，撤去基準預緊力並取出感壓紙(4)，用掃描儀(8)將感壓紙(4)的顏色分布情況掃描成圖像輸入到計算機(9)中，計算機(9)通過感壓紙(4)顏色的深淺程度分析出結合面仏)應力分布情況，並繪製部件II (2)的結合面(幻應力等值線圖； 八4:選取II條應力等值線，在II條應力等值線鄰側面化)的延伸線上的相應位置粘貼II個應變片(5),=為大於零的整數，應變片(5)靠近結合面(幻與鄰側面(幻的交線粘貼；將應變片(5)與用於顯示應變片(5)測量數據的顯示裝置(7)連接；這樣II片應變片(5)測得的應力就和II條應力等值線建立了一一對應關係，即建立了鄰側面應力與結合面應力分布對應關係； 步驟B:通過測量鄰側面應力確定結合面應力分布； 部件I (I)與部件II (2)裝配完成後，結合面(a)間不用再放入感壓紙(4)，即可根據建立的鄰側面(b)與結合面(a)應力分布對應關係，通過測量應變片(5)的應力值確定結合面(a)應力分布。
7.根據權利要求6所述的間接測量裝配結合面應力分布的方法，其特徵在於:所述顯示裝置(7)為應變儀；所述應變片(5)為電阻應變片；所述壓力傳感器(6)為電阻應變式壓力傳感器；和結合面(a)應力變化快的部位相對應的鄰側面(b)位置設置的應變片(5)密，和結合面(a)應力變化緩慢的部位相對應的鄰側面(b)位置設置的應變片(5)疏。
【文檔編號】G01L1/22GK104359595SQ201410629432
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月7日 優先權日:2014年11月7日
【發明者】孫清超, 黃信, 石博文, 孫偉, 孫志勇 申請人:大連理工大學