李海根

（福建肯特計(jì)量科技有限公司，福建 福州 350000）

高強(qiáng)螺栓是大型樓房建筑、大型鋼結(jié)構(gòu)橋路、大型工程機(jī)械不可缺少的關(guān)鍵元件。在工程建設(shè)中，一般采用額定扭矩的電動(dòng)扳手對(duì)高強(qiáng)螺栓施加較精準(zhǔn)的預(yù)緊扭力，從而使連接件上產(chǎn)生預(yù)壓力[1]。被固定的連接件在預(yù)壓力的作用下，連接件與墊板間以及連接件間的接觸面便產(chǎn)生較大的摩擦力。根據(jù)經(jīng)典力學(xué)理論，當(dāng)連接件間的相互作用力小于此摩擦力時(shí)，連接件便不會(huì)產(chǎn)生滑移，連接結(jié)構(gòu)整體便能保持穩(wěn)定。為保證其連接的安全可靠，GB/T 1231-1991《鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術(shù)條件》和GB/T 50205-2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》對(duì)高強(qiáng)螺栓連接副扭矩系數(shù)大小有嚴(yán)格的技術(shù)要求。

對(duì)于高強(qiáng)螺栓的檢測(cè)，過(guò)去普遍分別使用一只力傳感器和一只扭力扳手分別對(duì)螺栓的軸向力和扭矩進(jìn)行測(cè)定，存在測(cè)量準(zhǔn)確度差、檢測(cè)效率低等問(wèn)題。螺栓檢測(cè)儀的出現(xiàn)雖然提高了檢測(cè)效率，但是其分別采用一只力傳感器和一只扭矩傳感器來(lái)分別檢測(cè)軸向力和扭矩的測(cè)量方法，忽略了力傳感器與扭矩傳感器之間連接結(jié)構(gòu)的摩擦力影響，從而影響了檢測(cè)精度。所以，為了保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須研究一種力、扭轉(zhuǎn)組合的雙分量傳感器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)高強(qiáng)螺栓的一體化組合測(cè)試[2]。

據(jù)了解2012 年，僅福建省高強(qiáng)螺栓連接副檢測(cè)量已在200 萬(wàn)套以上，其創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值達(dá)到10 億元。所以，該傳感器的成功研制和推廣應(yīng)用將為提高高強(qiáng)螺栓副檢測(cè)水平提供重要的技術(shù)保障，不僅服務(wù)了民生發(fā)展，而且市場(chǎng)前景廣闊，具有深遠(yuǎn)的社會(huì)效益和重大的經(jīng)濟(jì)效益。本文設(shè)計(jì)了一種力、扭矩組合式雙分量傳感器結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行有限元模擬分析，尋找出最佳應(yīng)變片的貼片位置，在保證足夠強(qiáng)度和剛度的前提下，獲得高的測(cè)量準(zhǔn)確度，驗(yàn)證了復(fù)合式雙分量傳感器設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

1 傳感器設(shè)計(jì)

雙分量（力、扭矩）傳感器彈性體由一個(gè)厚壁圓筒和四根方形截面桿組合而成。厚壁圓筒結(jié)構(gòu)用來(lái)對(duì)軸向力實(shí)現(xiàn)測(cè)量，而桿結(jié)構(gòu)用于對(duì)扭矩實(shí)現(xiàn)測(cè)量。傳感器彈性體結(jié)構(gòu)可以采用數(shù)控加工中心整體銑出，結(jié)構(gòu)精度高，成本低。為滿(mǎn)足高強(qiáng)螺栓的檢測(cè)要求，所設(shè)計(jì)的雙分量傳感器，其力值測(cè)量范圍為50kN～500kN，扭矩測(cè)量范圍為100N·m～2kN·m。

1.1 厚壁圓筒設(shè)計(jì)

為提高傳感器的強(qiáng)度和抗疲勞特性，該傳感器選用40CrNiMo 高合金鋼[3]。該材料的強(qiáng)度極限為σ=1100MPa，彈性模量為E=210GPa，比例極限為σ=800MPa，泊松比μ=0.29。該傳感器使用電阻應(yīng)變片來(lái)傳感測(cè)量應(yīng)變，為最大程度降低應(yīng)變片膠層的漂移和蠕變[4-5]，設(shè)定額定應(yīng)變[ε]=1000×10-6。

彈性體結(jié)構(gòu)承受軸向載荷時(shí)，力P、軸向應(yīng)力σ 和面積A 之間的關(guān)系為：

因此，受力為額定載荷的1.5 倍時(shí)，其最大應(yīng)力為217MPa。該應(yīng)力水平遠(yuǎn)低于彈性體材料的比例極限和臨界應(yīng)力11517MPa，所以，該圓筒在軸向力作用下不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

滿(mǎn)量程時(shí)的軸向應(yīng)變?yōu)?

1.2 桿設(shè)計(jì)

如圖1 所示，傳感器扭矩采用四根方形截面的桿作為彈性體進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)傳感器承載扭矩載荷后，四根桿件發(fā)生彎曲，桿件兩端截面處的彎矩最大，所以，將應(yīng)變片粘貼在距桿端a 處。

圖1 桿式和柱式組合結(jié)構(gòu)雙分量傳感器應(yīng)變片貼片圖

2 有限元模擬分析

為了計(jì)算得到在力、扭矩共同作用下，復(fù)合式傳感器彈性體的應(yīng)變和應(yīng)力分布情況，探究力、扭矩之間相互耦合的影響量，本文對(duì)該力、扭矩復(fù)合式傳感器彈性體進(jìn)行了有限元模擬分析。

采用有限元商用軟件——ABAQUS，采用二次四面體網(wǎng)格對(duì)彈性體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分123497 個(gè)單元，劃分結(jié)果如圖2 所示。

圖2 力、扭矩復(fù)合式傳感器彈性體有限元網(wǎng)格模型

將厚壁圓筒底面完全固定約束，在傳感器上表面施加均布的500kN 軸向力，在圓盤(pán)外邊緣施加2kN·m扭矩。

2.1 僅施加軸力

如圖3 和圖4 所示，該雙分量傳感器在500kN 軸向力作用下，彈性體的環(huán)向應(yīng)變和軸向應(yīng)變主要集中在彈性體結(jié)構(gòu)圓筒的中間部位，而且四根方形桿表面上的形變很小，應(yīng)變值不超過(guò)1×10-5。在圓筒彈性體結(jié)構(gòu)的中間部位排布8 枚彈性體分別為R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8，用于測(cè)量軸向力。

圖3 軸向力作用下傳感器彈性體軸向應(yīng)變分布云圖

圖4 軸向力作用下傳感器彈性體環(huán)向應(yīng)變分布云圖

表1 為僅施加軸向力時(shí)，彈性體圓筒結(jié)構(gòu)上應(yīng)變片將要排布位置的應(yīng)變量，其中，R1、R2、R7、R8 測(cè)量的應(yīng)變?yōu)檩S向應(yīng)變，R3、R4、R5、R6 測(cè)量的應(yīng)變?yōu)榄h(huán)向應(yīng)變，數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)與理論分析設(shè)計(jì)結(jié)果基本相符，由此表明彈性體的圓筒部分能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，用于軸向力的測(cè)量。

表1 彈性體圓筒上電阻應(yīng)變片粘貼位置的應(yīng)變值

表2 為僅施加軸向力時(shí)，彈性體桿上應(yīng)變片排布位置處的應(yīng)變量，從表中可以看出，在軸力的作用下，桿上應(yīng)變片粘貼位置處的應(yīng)變量都很小，基本小于3×10-6，由此可以看出軸向力對(duì)桿上用于測(cè)量扭矩的電阻應(yīng)變片的影響很小。

表2 彈性體桿上電阻應(yīng)變片粘貼位置處的應(yīng)變值

2.2 僅施加扭矩

圖5 扭矩作用下傳感器彈性體結(jié)構(gòu)軸向應(yīng)變分布云圖

表3 彈性體桿上電阻應(yīng)變片排布位置處的應(yīng)變值

表4 彈性體結(jié)構(gòu)圓筒上應(yīng)變片粘貼位置處的應(yīng)變值

3 結(jié)論

本文通過(guò)理論分析設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于高強(qiáng)螺栓檢測(cè)專(zhuān)用的雙分量傳感器，采用有限元軟件ABAQUS 進(jìn)行模擬，建立傳感器應(yīng)力-應(yīng)變模型，分析彈性體的應(yīng)力應(yīng)變情況，并尋找最佳應(yīng)變片的貼片位置，在保證足夠強(qiáng)度和剛度的前提下，獲得較高的測(cè)量準(zhǔn)確度，進(jìn)一步驗(yàn)證了復(fù)合式雙分量傳感器設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。