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摘要

螺栓毗连是现在在机械装备中应用相当普遍的一种毗连形式，，，，，，随着种种机械装备的大型化和重大化，，，，，，对高强度螺栓的轴向力举行工况下监测也变得越发主要。。现在高强度螺栓指强度品级在8.8级以上的螺栓，，，，，，对其举行钻孔式轴向应力丈量时，，，，，，对预钻孔直径与丈量效果间的研究还相对较少。。本文通过数值模拟与实验连系的要领，，，，，，应用ANSYS软件对差别钻孔直径下的高强螺栓轴力丈量效果举行了研究和较量，，，，，，给出了能够抵达优异丈量效果，，，，，，且适用于差别公称规格螺栓的钻孔直径选择依据，，，，，，为在差别工况下准确丈量螺栓轴向力提供了参考。。

螺栓作为机械紧固件，，，，，，主要通过预紧力在毗连件之间所爆发的摩擦力转达载荷，，，，，，是一种毗连工程和机械结构中各个构件的主要元件。。其中，，，，，，高强度螺栓（强度品级大于8.8级的螺栓）于20世纪中叶以后获得了快速生长，，，，，，并以其耐疲劳、毗连强度高和受力性能好的特点，，，，，，成为航空、汽车、大型机械装备和钢结构等领域中最主要的一类毗连方法。。

现在关于高强度螺栓轴向紧固力的丈量主要有轴向应变片法、超声波法和直接长度丈量法。。其中超声波法首先丈量有应力状态下和无应力状态下超声波传导往返需要的声时，，，，，，再用扭矩机、拉伸机划分与超声应力仪比照，，，，，，以实现螺栓轴力的非接触式丈量，，，，，，其弱点在于监测装备本钱较高，，，，，，且在待测螺栓数目较多时丈量效率低。。直接长度丈量法使用高精度千分表丈量螺栓变形，，，，，，原理简朴，，，，，，可是在螺栓处于紧固事情状态下时难以直接装置千分表，，，，，，对丈量情形的顺应性差。。而凭证应变片的粘贴位置的差别，，，，，，轴向应变片法可接纳外貌粘贴和钻孔粘贴两种要领。。由于在螺栓外貌粘贴应变片会影响螺栓的正常紧固，，，，，，且难以对应变片举行有用防护。。因此，，，，，，应用钻孔式轴向应变片将轴力转换为螺栓轴向应变丈量，，，，，，已成为现在举行螺栓轴力丈量的主要要领。。

王小杰等使用轴力应变片法丈量了在差别垫圈数目下螺栓轴向紧固力的衰减纪律；；；；；张忠伟等使用轴力应变片剖析了航天法兰盘上差别螺栓组预紧力的丈量效果。。可是高强度螺栓在事情状态下载荷集中水平高，，，，，，实验批注，，，，，，钻孔直径的选取对轴力丈量的准确性具有显著影响，，，，，，而现在关于此影响因素的定量研究仍然较少。。本文应用ANSYS Workbench有限元剖析软件对螺栓的应力漫衍情形举行数值模拟，，，，，，在差别钻孔直径条件下获得应变与轴力的映射情形，，，，，，并连系实验数据对模拟效果举行对标与校核，，，，，，获得准确丈量螺栓轴力的钻孔直径确定依据。。此要领能够为各规格螺栓的轴力准确丈量和结构紧固强度评价提供参考。。

螺栓在受拉事情载荷为F时，，，，，，设总拉力为Q，，，，，，则如图1所示，，，，，，其变形总量为δL+ΔδL。。

图1 螺栓预紧变形关系图

凭证静力平衡条件和变形协调条件可得：

式中，，，，，，QP—剩余预紧力；；；；；kL—螺栓刚度；；；；；kF—被毗连件的刚度。。

螺栓整体处于弹性状态下单向拉伸的受力状态，，，，，，则螺栓轴向应变ε为：

式中，，，，，，r—螺栓杆段的平均半径。。

在本文的剖析中仅思量受到轴向载荷的螺栓抗拉毗连，，，，，，关于横向载荷下的摩擦毗连螺栓，，，，，，其轴力同样能够由轴向应变ε体现，，，，，，此处差池横向载荷情形作特殊剖析。。

关于杆段较长的螺栓（杆段长度＞60 mm），，，，，，由于细钻头在钻进历程中容易爆发失稳征象，，，，，，现在一样平常接纳激光烧蚀与钻头平整配合加工的要领。。为了对差别钻孔直径的高强螺栓的应变漫衍举行剖析，，，，，，本文此部分主要接纳数值模拟的要领获得螺栓内部的应变场漫衍。。

在模子建设中选择M10规格高强度螺栓，，，，，，其几何尺寸如下表所示：

使用UG NX软件对M10高强度螺栓举行几何建模，，，，，，由于实验工况下螺栓头部由专用夹具举行夹持，，，，，，因此不思量螺栓顶端圆角的影响。。螺栓几何模子如图2所示。。

图2 M10高强度螺栓几何模子

将螺栓几何模子导入ANSYS Workbench有限元剖析软件中。。高强度螺栓质料为低碳锰合金钢，，，，，，钻孔中填胶为完全固化后的氰基丙烯酸酯质料，，，，，，整体质料参数如表2所示。。

思量到夹具类型，，，，，，对螺栓头部举行完全固支约束，，，，，，螺栓底部最大事情载荷25kN。。对模子举行网格剖分时不显示螺纹结构。。在网格无关性验证后，，，，，，模子节点数平均为168,864个，，，，，，单位数平均为81,558个。。

图3 螺栓模子网格划分示意图

预钻孔深度定为30mm，，，，，，划分在钻孔直径为1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm、6mm、7mm、8mm，，，，，，共计12种工况下对上述螺栓数值模子举行稳态数值求解。。

在汇总求解效果后，，，，，，给出具有代表性的1mm、2mm、5mm和8mm直径条件下，，，，，，螺栓及填胶体中轴线处在最大事情载荷下的应变场漫衍如图4所示（由于螺栓上部钻孔区域会显著影响螺栓内部应变漫衍，，，，，，因此图中仅截取钻孔区域的应变数值模拟效果）。。

图4 差别钻孔直径条件下螺栓轴向对称面应变漫衍

比照图4中（图4中红色框线内为填胶体位置）各直径条件下螺栓与填胶体的应变场漫衍可知，，，，，，在钻孔底端位置，，，，，，钻孔的直径的增大会导致孔底高应变区的规模向螺栓头部大规模扩展。。以螺栓下部匀称变形区的平均应变为基准，，，，，，界说平均应变高于基准值50%的区域为高应变区。。则可以获得：当钻孔直径每增添1 mm，，，，，，会使得高应变区的规模增添26.77%，，，，，，同时孔底轴向应变最大值增大46.89%。。

同时，，，，，，钻孔直径的增大能够显著破损螺栓上部杆段的应变匀称水平。。当钻孔直径大于杆直径的20% 时，，，，，，高应变区在扩展的同时，，，，，，其内部应变梯度也显着增大。。叼径为杆径的50%时，，，，，，孔底向上2 mm长度规模内的轴向应变转变率抵达12%。。

另外由于低碳合金钢质料与固化氰基丙烯酸酯质料在刚度上的差别，，，，，，在钻孔底部质料界面处爆发应变集中突变区。。当钻孔直径小于杆段直径的20%时，，，，，，应变集中区的径向规模能够控制在轴径的25%左右；；；；；而当钻孔直径大于20%后，，，，，，应变集中区在径向逐渐侵入孔外金属部分，，，，，，导致应变趋向于在孔底边沿处抵达极值。。

图5 钻孔底端最大主应变比照

在现实举行应变片填胶固化的历程中，，，，，，由于工艺水平的限制，，，，，，在孔壁及孔底处会不可阻止地爆发气泡及固化缩短征象。。这一征象会使得孔底区域规模内的填胶质料强度下降，，，，，，同时可能在孔底局部位置造成粘接不充分。。

由图5可知，，，，，，随着钻孔直径的增大，，，，，，螺栓杆段的上部与下部之间的最大主应变爆发显着分区征象。。在孔底处的质料接壤面爆发显著的应变突变区，，，，，，其径向规模也逐渐扩展到约整个横截面面积的71.29%。。叼径大于杆径的20%时，，，，，，在界面两侧的应变差最大可达4138με，，，，，，进而使得填胶爆发疏散导致丈量失败甚至破损应变片。。

如图6所示，，，，，，对差别直径下螺栓填胶体的轴向应变剖析可知，，，，，，孔径的增大会同时影响显著影响轴向应变的漫衍形式。。？？？拙缎∮诟司兜20%时，，，，，，轴向应变在孔底及中段均保存平滑的平台过渡段，，，，，，这一区域更适合埋置应变片以获得越发稳固准确的应变读数。。

图6 差别直径下螺栓填胶体轴向应变

而叼径大于上述规模时，，，，，，轴向应变随深度迅速递增，，，，，，关于较大基距的应变片而言丈量值无法准确反应现实轴力的巨细。。另外快速增添的轴向应变会更易引发填胶体内部缺陷的生长，，，，，，并滋扰应变丈量的恒久稳固性。。

螺栓轴力丈量实验选用与数值模拟中同尺寸的M10的10.9级高强度六角头螺栓，，，，，，预定最大事情载荷为25kN，，，，，，螺栓质料参数如下表所示：

为包管逐级加载历程中载荷与实测应变值的同步转变，，，，，，将试验机的载荷加载纪录时间与应变纪录时间举行同步处置惩罚。。以2.5kN为加载步长，，，，，，举行3次加载，，，，，，逐级加载中实验效果如表4所示。。

将钻孔直径划分为2mm和8mm时的实验应变平均丈量值与2mm钻孔直径的数值模拟值举行较量，，，，，，并对2mm钻孔直径实验平均值举行一阶线性回归拟合，，，，，，如图10所示。。

图10 螺栓轴力-应变丈量比照及拟合

从图3中可以看出，，，，，，在钻孔直径为2mm时，，，，，，高强度螺栓的轴力与应变模拟值与实验平均值之间保存约38.4 με的应变误差，，，，，，思量到在钻孔内填胶造成的应变梯度影响，，，，，，在钻孔内充填固化胶时应当尽可能对孔壁举行平整处置惩罚，，，，，，并且镌汰填胶中的气泡，，，，，，以消除固化胶与孔壁之间的应变梯度。。同时，，，，，，在钻孔直径为8mm时，，，，，，应变丈量值的线性度爆发了很洪流平的畸变，，，，，，无法通过丈量轴向应变的方法准确获得螺栓轴力，，，，，，这也从实验角度印证了前述数值模拟所获得的结论。。

凭证实测应变平均值可得一阶线性拟合公式为：

ε=135.47Q+1.57

其中，，，，，，线性回归决议系数R2为：

应变丈量值的满量程线性度δL为：

式中，，，，，，Δεmax—应变实测曲线与拟合直线之间的最大误差；；；；；εFS—载荷最大时的满量程应变输出值。。

凭证应变丈量效果和拟合公式可知，，，，，，接纳轴向钻孔应变片的形式丈量高强度螺栓轴力时，，，，，，凭证上述数值模拟所获得的结论，，，，，，将钻孔直径控制在螺栓钻杆直径的20%以下，，，，，，能够在不改变螺栓受力状态的条件下，，，，，，具有很高的拟合水平和丈量线性度，，，，，，进而有用丈量螺栓的轴力。。

从实验效果的拟合公式中可以看出，，，，，，相关于线性拟合的斜率，，，，，，拟合截距对应变实测值的影响约在0.05%～0.42%之间。。关于一样平常工程丈量的精度要求而言，，，，，，拟合常数项关于丈量效果的影响可以忽略不计。。

预钻孔直径关于螺栓轴力的丈量具有显著影响，，，，，，为了包管丈量的精度，，，，，，预钻孔直径最大不应凌驾螺栓杆段直径的20%，，，，，，且应将应变片埋置位置远离孔底约10%孔深的距离，，，，，，以包管应变片处于匀称应变区。。另外在钻孔工艺允许的情形下，，，，，，对更大规格的高强度螺栓应接纳尽可能小的钻孔直径，，，，，，以获得更好的丈量稳固性。。

在知足预钻孔直径选择条件的条件下，，，，，，在填胶历程中应中选择固化力学性能优异的胶水，，，，，，确保？？？妆诘钠秸，，，，，，并使胶水充分固化，，，，，，包管填胶体与孔壁的细密接触，，，，，，这关于减小丈量值与现实值之间的绝对误差以及避免应变集中区填胶开裂具有主要作用。。

在以实验应变值反推螺栓轴力值时，，，，，，由于线性回归系数及拟合线性度很高，，，，，，且其拟合常数项的影响一样平常可以忽略不计，，，，，，从而可以用应变-轴力换算系数直接获得高强度螺栓的轴力值。。