一种机械连接结构钉载分配测量试验方法与流程

本发明涉及机械装置及力学试验领域，具体涉及一种机械连接结构钉载分配测量试验方法。

背景技术：

机械连接由于可靠度高、多传力路径等优点，被广泛应用于飞机结构的连接结构中。为了提高飞机的设计水平、修正仿真分析结果，有必要通过试验方法获得多排螺栓连接结构的钉载分配。特别对于复合材料连接结构，以及金属连接结构的疲劳分析，由于连接结构失效往往发生在金属塑性导致的钉载重新分配前，得到准确的钉载分配显得尤为重要。

目前，机械连接结构钉载分配试验方法主要包含两类：应变测量法和钉载传感器法。在应变测量法中，一般通过在被连接件表面粘贴应变片、或通过非接触变形测量(dic)设备等方法，获得被连接件表面的试验应变，通过不同钉排间平均应变值的差推导钉载分配比例。也可将试验应变结果与仿真分析结果对比，若两者一致性较好，再通过仿真分析获得钉载分配。应变测量法示意图如图1所示。

在钉载传感器法中，采用螺栓状的传感器代替真实螺栓，或在螺栓内埋入传感器，通过受载时传感器输出的传感器载荷信号获得每个钉孔的挤压载荷。例如，图2通过在螺栓内埋入光纤来测量螺栓载荷，图3通过在螺栓上开槽粘贴应变片，从而测量螺栓载荷。

对于应变测量法，由于偏心作用，连接结构会产生二次弯矩，引起被连接件弯曲。被连接件外上下表面的应变是不同的，仅用外表面的应变计算整个截面的平均应变，会进一步增大误差。即使通过试验应变与仿真分析应变对比的方式间接得到钉载分配，也具有很多不确定性，可信度不高。

对于钉载传感器法，传感器既是测量器又是紧固件。传感器承受载荷通过粘贴在金属杆内部的应变花输出信号表征，因此，传感器金属杆四周开了四个槽。一方面，开槽后金属杆与真实情况中螺杆与钉孔配合状态不同，测量结果不能反映实际结构中钉载分布特点；另一方面，四个槽严重削弱了传感器杆的承载能力，该方法仅能测量低载工况下载荷分配情况。此外，传感器制造难度很大，至今该技术尚未成熟，且成本昂贵。

技术实现要素：

为了解决以上问题，本发明提出一种机械连接结构钉载分配测量试验方法。本发明基于应变测量法，对传统的应变测量法进行了改进。传统的应变测量法仅通过试验得到被连接件外表面的应变测量结果，本发明通过在被连接件内接触面上开槽，或在被连接件之间增加垫片的方式，创造应变片等应变测量装置的布置空间，以便获得被连接件在两个紧固件之间截面上的上、下表面应变分布。本发明提出的方法可通过试验测量完整得到被连接件给定截面的载荷大小，避免了引入分析方法造成的不确定性。

根据本发明的第一方面，提供一种机械连接结构钉载分配测量试验方法，基于应变测量法，通过在被连接件之间为应变测量装置提供安装空间，适用于沿加载方向含多排紧固件的机械连接结构的钉载分配测量，通过试验测量完整得到被连接件给定截面的载荷大小，避免了引入分析方法造成的不确定性。

进一步的，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1：在所述机械连接结构的上表面和下表面上，分别在相邻两个紧固件之间设置多个应变测量装置；

步骤2：在相互接触的两个被连接件之间提供应变测量装置的安装空间；

步骤2：将多个应变测量装置安装在所述安装空间中；

步骤4：测量相邻两个紧固件之间的截面传递的载荷；

步骤5：获得机械连接结构的钉载分配测量结果，

其中，被连接件在相邻两颗紧固件之间的区域，沿厚度方向应变服从线性分布。

进一步的，所述步骤1具体包括：

在相互接触的两个被连接件之间开槽，作为应变测量装置的安装空间。

进一步的，所述步骤1具体包括：

在相互接触的两个被连接件之间加垫片，形成应变测量装置的安装空间。

进一步的，被连接件在两颗紧固件之间的区域，应变沿宽度方向变化梯度较小。

进一步的，所述步骤4具体包括：

对于其中一个被连接件，在相邻两个紧固件之间的上、下表面分别设置有n个应变测量装置，加载过程中通过应变测量装置从上表面测试得到的应变分别为ε^a1,ε^a2,...ε^an，从下表面测试得到的应变分别为ε^b1,ε^b2,...ε^bn，则可计算出该截面的平均应变为：

按下式计算所述截面的传递载荷大小f，其中e为所述被连接件沿加载方向的刚度，a为所述截面的截面积：

进一步的，所述应变测量装置为包含应变片、压电片、光栅光纤。

进一步的，所述方法适用于被连接件层数≥2、沿加载方向紧固件排数≥2的机械连接结构钉载分配测量。

根据本发明的第二方面，提供一种飞机连接结构中多排螺栓连接结构的钉载分配测量方法，所述飞机连接结构采用机械连接的方式，其特征在于，所述方法采用根据以上任一方面所述的机械连接结构钉载分配测量试验方法对飞机连接结构中多排螺栓连接结构的钉载分配进行测量。

本发明的有益效果：

本发明通过在被连接件内接触面上开槽，或在被连接件之间增加垫片的方式，创造应变片等应变测量装置的布置空间，可获得被连接件在两个紧固件之间截面上的上、下表面应变分布，直接得到被连接件在给定截面的载荷大小，进一步可获得整个机械连接结构的钉载分配。本专利避免了传统应变测量方法无法考虑被连接件沿厚度方向弯曲的缺点，实现了被连接件截面传载大小的直接测量，可在不依赖数值分析辅助的情况下直接测量得出机械连接结构的钉载分配。本发明适用于构型复杂的机械连接结构钉载测试，具有操作简单、准确度高、低成本等优点。

附图说明

图1示出传统钉载分配应变测量法示意图；

图2示出现有技术1的原理图；

图3示出现有技术2的原理图；

图4示出根据本发明实施例的安装示意图；

图5示出根据本发明实施例的中间板细节图；

图6示出沿图4a-a截面的开槽方案示意图；

图7示出沿图4a-a截面的垫片方案示意图；

图8示出根据本发明的机械连接结构钉载分配测量试验方法流程图；

图9示出机械连接结构传载示意图；

图10示出被连接件给定截面传载大小的测量和计算示意图；

图11a至11b示出被连接件截面外表面宽度方向应变分布以及厚度方向应变分布。

具体实施方式

本申请提案示意图如图4所示。本申请提案适用于被连接件层数≥2、沿加载方向紧固件排数≥2的机械连接结构钉载分配测量。以被连接件层数＝3，紧固件排数＝3的机械连接结构为例，中间被连接件(1)、上侧被连接件(2)和下侧被连接件(3)通过3颗紧固件(4)连接。为了试验获得机械连接结构的钉载分配，在上侧被连接件(2)和中间被连接件(1)的接触面上开槽，在下侧被连接件(3)和中间被连接件(1)的接触面上开槽(5)，以便为应变片等测量设备(6)提供安装空间。对于每个被连接件，通过2颗紧固件之间截面的上、下表面应变测量值，即可获得当前截面传递的载荷，进而获得整个机械连接结构的钉载分配试验测量结果。中间板(1)细节图如图5所示。

更具体来说，图4中的a-a截面示意图如图6所示。对于中间被连接件(1)，在两颗紧固件(4)之间截面传递的载荷，可通过在开槽(7)和开槽(8)处布置的应变片等测量设备获得。另一种方案如图7所示，不在被连接件上开槽，而是通过在被连接件之间加垫片的方式，为应变片等测量设备提供布置空间。

本申请技术方案的关键点和欲保护点：

本专利的保护点在于提出了一种直接测量机械连接结构钉载分配的方法。在机械连接结构被连接件的接触面上开槽或增加垫片，布置应变片等试验测量装置；通过被连接件给定截面的内、外表面应变测量，直接得到被连接件在给定截面的载荷大小，进一步可获得整个机械连接结构的钉载分配。本专利避免了传统应变测量方法无法考虑被连接件沿厚度方向弯曲的缺点，适用于构型复杂的机械连接结构钉载测试，具有操作简单、准确度高、低成本等优点。

该方案在实现原理上基于以下假设：

(1)在开槽(加垫)深度t'远小于被连接件板厚t(例如t'/t＜10)，开槽(加垫)长度l'远小于2颗紧固件之间的距离l(例如l'/l＜5)时，认为对机械连接结构钉载分配影响可忽略；

(2)被连接件在两颗紧固件之间的区域，沿厚度方向应变服从线性分布。

(3)若采用粘贴应变片的方案，被连接件在两颗紧固件之间的区域，应变沿宽度方向变化梯度较小。

如图8所示，使用本专利测量钉载分配的流程为：

(1)确定试验件构型(紧固件、被连接件数量等)；

(2)连接结构预装配(打孔等)；

(3)在被连接件内表面开槽或加垫片，并粘贴应变片等测量设备；

(4)连接结构完成装配；

(5)试验加载并测量应变；

(6)根据应变测量结果计算钉载分配。

以典型机械连接结构为例对钉载分配计算方法进行详细阐述，但并不作为对本发明做任何限制的依据。

如图9所示，机械连接结构被连接件层数＝3，紧固件排数＝3，中间被连接件、上侧被连接件和下侧被连接件通过3颗紧固件连接。中间被连接件传递总载荷为f，上侧被连接件、下侧被连接件传递总载荷分别为fu和fd。中间被连接件上的载荷通过3颗螺栓逐步传递到上侧被连接件和下侧被连接件上，3颗螺栓的传载大小分别为fb1、fb2和fb3。对于中间被连接件，在1-2紧固件之间的载荷大小记为fm1，在2-3紧固件之间的载荷大小记为fm2；对于上侧被连接件，在1-2紧固件之间的载荷大小记为fu1，在2-3紧固件之间的载荷大小记为fu2；对于下侧被连接件，在1-2紧固件之间的载荷大小记为fd1，在2-3紧固件之间的载荷大小记为fd2。用公式表示上述变量之间的关系为：

因此，只要能准确测量各被连接件在钉间截面的传递载荷大小，即fm1、fm2、fu1、fu2、fd1、fd2，便可通过公式(1)、(2)计算出各紧固件的传载大小fb1、fb2和fb3。

以中间被连接件为例，阐述fm1的测量和截面载荷计算方法，示意图如图10所示。该截面沿宽度方向、厚度方向的应变分布示意图如图11所示。假设在该截面上，外表面、内表面均一一对应粘贴了n个应变片，加载过程中外表面测试得到的应变分别为内表面测试得到的应变分别为则可计算出该截面的平均应变为：

进一步，可按式(4)计算该截面的传递载荷大小fm1，其中em1为被连接件沿加载方向的刚度，am1为该截面的截面积。

由此，便可通过公式(1)、(2)计算出各紧固件的传载大小fb1、fb2和fb3。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。