一种智能光纤光栅法兰螺栓加载监测装置的加载监测方法制造方法及图纸

一种智能光纤光栅法兰螺栓加载监测装置的加载监测方法，步骤如下：一:智能光纤光栅法兰螺栓加载监测装置构建；二：利用安置好的加载监测装置计算相关系数；三：计算载荷；四：使法兰螺栓结构进入预装配状态，此时螺栓上不施加载荷；五：执行第一轮次；六：第二轮次螺栓的目标载荷为

【技术实现步骤摘要】
一种智能光纤光栅法兰螺栓加载监测装置的加载监测方法
本专利技术涉及一种智能光纤光栅法兰螺栓加载监测装置的加载监测方法，它可以根据工况的紧密度要求计算螺栓载荷并通过装置以较少的加载轮数控制螺栓加载顺序实现法兰盘各螺栓载荷的均匀性，保证法兰盘的密封性和拧紧效率。适用于法兰螺栓加载等

技术介绍
获得均匀的预紧载荷是螺栓法兰密封系统实现长期密封的前提。然而，目前关于法兰螺栓加载方式仍无统一的规范可循，工人多根据经验交叉预紧螺栓。由于工业上无法实现同时对所有螺栓直接施加轴向载荷，故普遍采用控制扭矩的方法对螺栓逐个加载。螺栓载荷的均匀性主要由两个因素决定：扭矩转化为螺栓轴向力的精度、依次加载在过程中后加载螺栓对已加载螺栓载荷的影响。前者主要取决于加载工具以及密封组件之间的摩擦力，后者主要取决于螺栓的弹性交互作用。螺栓间弹性交互作用是影响螺栓载荷分布的重要原因，但是进一步研究发现，合理的螺栓加载方式及加载轮次能够有效地降低螺栓间载荷的离散程度。研究表明，弹性交互作用有两种效果：弹性交互正作用和弹性交互负作用，这两种作用使最终螺栓载荷低于目标载荷，且非均匀分布。交叉加载时每轮载荷分布呈”W”形，顺次加载时每轮载荷分布呈“N”形。根据基于紧密度的螺栓目标载荷计算以及最优路径寻优方式提出了简化的法兰螺栓拧紧方法。专利技术人提供了下文所述的加载监测装置的加载监测方法。
技术实现思路
(1)专利技术目的在实际的生产制造过程中，法兰盘的密封性要求很高，而法兰螺栓的加载方法不完善且并不统一。基于气密性要求，本专利技术提供了一种智能光纤光栅法兰螺栓加载监测装置及方法，它利用智能光纤光栅法兰螺栓监测装置计算螺栓加载过程中同侧负影响参数并完成对螺栓加载顺序的控制，利用路径寻优算法给出最优加载顺序。(2)技术方案本专利技术是一种智能光纤光栅法兰螺栓加载监测装置的加载监测方法。利用装置计算同侧负影响系数，根据“同侧负影响”“对侧正影响”方法建立法兰螺栓加载顺序理论并通过装置进行路径规划，从而确定螺栓法兰盘扭紧方法，达到使装配后螺栓预紧力满足目标值并形成均匀分布的目标。针对弹性交互作用的对侧正影响和同侧负影响采用的优化方法分别为：1.在对螺栓进行对称拧紧后通过一次正向顺序加载和一次反向顺序加载弱化对侧正影响；2.通过计算得出修正系数，抵消螺栓载荷引起的同侧负影响。我们仅以八螺栓法兰盘为例，具体步骤如下:本说明采用2片尺寸相同的8螺栓法兰结构为例作为被连接件进行试验，法兰结构材料为304钢，螺栓材料为1Cr11Ni2W2MoV。法兰结构剖面见图1。本专利技术一种智能光纤光栅法兰螺栓加载监测装置的加载监测方法，具体步骤如下：步骤一:智能光纤光栅法兰螺栓加载监测装置构建：A、将螺栓打孔见图1，把光纤光栅灌入到螺栓内进行螺栓预紧力辅助监测；在法兰盘内侧两孔之间或法兰盘表面两孔之间贴装光纤光栅应变传感器，共选取Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ八个位置如图2图3；将光纤光栅栅区用胶粘紧在法兰盘内壁选取的定位点上；B、光纤光栅应变传感器接口连接光纤光栅解调仪，同时连接安装测量应变配套软件的计算机，实时监控装配过程中各位置应变情况，分析连接件结合面的应力分布情况；C、根据光纤光栅所获取的波长和材料杨氏模量E＝194GPa计算检测点的应变和应力，计算的结果用于监测应力分布是否均匀。步骤二：利用安置好的加载监测装置计算相关系数；A、计算螺栓间的弹性模量系数；本专利技术将法兰螺栓间弹性相互作用系数矩阵[A]n×n定义如下：{Fvf}n×1-{Fv0}n×1＝[A]n×n({Ftf}n×1-{Ft0}n×1)(1)弹性交互作用系数矩阵[A]n×n中，系数aij表示受影响螺栓的载荷变化量与加载螺栓加载量的比值，定义为同侧负影响系数；aij定义如下：B、利用路径寻优及多次螺栓加载试验，在法兰螺栓加载一轮后算出最优路径，即给出下一轮的加载顺序，并将法兰螺栓加载轮数与紧密度建立关系；步骤三：计算载荷，设定每一轮次的目标载荷值，将计算的第一轮的目标载荷设定为步骤四的目标载荷；螺栓的目标载荷值得取值范围如图4所示，即在确定安装螺栓载荷后，就可以确定工作垫片应力也就可以预测其是否能到达相应的紧密度等级保留；并根据紧密度要求选择轮数，现以三轮次为例，按照目标载荷的百分比设定三轮次每一轮次的目标载荷；其中Gb，Gs，a为垫片长度，M为设计常数：WP＝PD(A0m0+AH)＝A0max[Sm1,Sm2]+AHPD(3)其中：步骤四：使法兰螺栓结构进入预装配状态，此时螺栓上不施加载荷；在法兰螺栓结构达到预装配状态后，执行步骤五到步骤七，分轮次对法兰螺栓进行拧紧，以使螺栓上预紧力达到目标值；步骤五：执行第一轮次，首次均采用对称拧紧顺序施加载荷；第一轮轮次初始载荷为0，引入步骤二计算的同侧负影响系数，即：其中，{F1vf}8×1为第一轮加载的目标载荷，弹性交互作用系数矩阵[A1]8×8为：代入计算，求得：{F1tf}8×1＝{(1-2a)F1vf,F1vf,(1-2a)F1vf,F1vf,(1-2a)F1vf,F1vf,(1-2a)F1vf,F1vf}1×8(7)步骤六：第二轮次螺栓的目标载荷为初始载荷为第一轮次加载的目标载荷，即：根据装置显示的法兰螺栓加载最优路径，第二轮次采用正向顺序拧紧的加载顺序，其弹性交互作用系数矩阵[A2]8×8为：在第二轮次正向顺序加载过程中，螺栓一在加载前不受到其他螺栓影响，螺栓二到七位置加载前分别受到一次同侧负影响，螺栓八受到两次同侧负影响；因此，有：代入计算，求得：步骤七：根据装置显示的法兰螺栓加载最优路径，第三轮次采用反向顺序拧紧的加载顺序，弹性交互作用系数矩阵[A3]8×8＝[A2]8×8，各螺栓受同侧负影响作用顺序与第二轮次相反，因此有：代入式计算，求得：步骤八：通过步骤一构建的智能光纤光栅法兰螺栓加载监测装置监测法兰盘的应力分布，保证均匀性。其中，在步骤二中所述的“路径寻优算法”，是利用动态A*算法进行路径寻优，其作法如下：将八螺栓法兰盘构建成一个8*8的二维矩阵，设一号螺栓为路径的起始点，要求需要遍历所有螺栓并回到一号螺栓，求得完成要求并保证最大载荷最小载荷之差较小的最优路径；其中，每一螺栓加载后载荷变化最大的螺栓设定为A*算法中的障碍物，根据弹性系数构建障碍物的动态方程；所述的动态A*算法即：从初始状态经由状态n到目标状态的代价估计＝在状态空间中从初始状态到状态n的实际代价+从状态n到目标状态的最佳路径的估计代价；其中，在步骤三中所述的“轮次”，是指需要加载到目标载荷所需要进行加载的次数，每一轮中每一螺栓仅加载一次；其中轮数的确定由所设定的紧密度等级确定，对应关系见表2。通过以上步骤，达到了用最小轮数实现法兰盘螺栓加载均匀的要求，解决螺栓装配过程中无规定流程，操作不确定性大，无法保证螺栓加载均匀性的问题。(3)本专利技术的优点i.本专利技术是针对制造过程中常见又难监测的法兰螺栓加载过程，提出了一种基于紧密度的法兰螺栓加载方法，该方法可根据工况的紧密度需求计算载荷。ii.本专利技术提出的基于紧密度的法兰螺栓加载方法，加载顺序轮次少且加载均匀，对于多螺栓的加载可以提高效率。附图说明图1光纤光栅灌注入螺栓剖面图。图2法兰盘结构剖面图。图3本专利技术法兰盘螺栓序号及光纤光栅粘贴本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种智能光纤光栅法兰螺栓加载监测装置的加载监测方法，其特征在于：具体步骤如下：步骤一:智能光纤光栅法兰螺栓加载监测装置构建：A、将螺栓打孔，把光纤光栅灌入到螺栓内进行螺栓预紧力辅助监测；在法兰盘内侧两孔之间及法兰盘表面两孔之间贴装光纤光栅应变传感器，共选取Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ八个位置；将光纤光栅栅区用胶粘紧在法兰盘内壁选取的定位点上；B、光纤光栅应变传感器接口连接光纤光栅解调仪，同时连接安装测量应变配套软件的计算机，实时监控装配过程中各位置应变情况，分析连接件结合面的应力分布情况；C、根据光纤光栅所获取的波长和材料杨氏模量E＝194GPa计算检测点的应变和应力，计算的结果用于监测应力分布是否均匀；步骤二：利用安置好的加载监测装置计算相关系数；A、计算螺栓间的弹性模量系数；将法兰螺栓间弹性相互作用系数矩阵[A]n×n定义如下：{F

【技术特征摘要】
1.一种智能光纤光栅法兰螺栓加载监测装置的加载监测方法，其特征在于：具体步骤如下：步骤一:智能光纤光栅法兰螺栓加载监测装置构建：A、将螺栓打孔，把光纤光栅灌入到螺栓内进行螺栓预紧力辅助监测；在法兰盘内侧两孔之间及法兰盘表面两孔之间贴装光纤光栅应变传感器，共选取Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ八个位置；将光纤光栅栅区用胶粘紧在法兰盘内壁选取的定位点上；B、光纤光栅应变传感器接口连接光纤光栅解调仪，同时连接安装测量应变配套软件的计算机，实时监控装配过程中各位置应变情况，分析连接件结合面的应力分布情况；C、根据光纤光栅所获取的波长和材料杨氏模量E＝194GPa计算检测点的应变和应力，计算的结果用于监测应力分布是否均匀；步骤二：利用安置好的加载监测装置计算相关系数；A、计算螺栓间的弹性模量系数；将法兰螺栓间弹性相互作用系数矩阵[A]n×n定义如下：{Fvf}n×1-{Fv0}n×1＝[A]n×n({Ftf}n×1-{Ft0}n×1)(1)弹性交互作用系数矩阵[A]n×n中，系数aij表示受影响螺栓的载荷变化量与加载螺栓加载量的比值，定义为同侧负影响系数；aij定义如下：B、利用路径寻优及多次螺栓加载试验，在法兰螺栓加载一轮后算出最优路径，即给出下一轮的加载顺序，并将法兰螺栓加载轮数与紧密度建立关系；步骤三：计算载荷，设定每一轮次的目标载荷值，将计算的第一轮的目标载荷设定为步骤四的目标载荷；螺栓的目标载荷值得取值范围，即在确定安装螺栓载荷后，就能确定工作垫片应力也就能预测其是否能到达相应的紧密度等级保留；并根据紧密度要求选择轮数；现以三轮次为例，按照目标载荷的百分比设定三轮次每一轮次的目标载荷；其中Gb，Gs，a为垫片长度，M为设计常数：WP＝PD(A0m0+AH)＝A0max[Sm1,Sm2]+AHPD(3)其中：步骤四：使法兰螺栓结构进入预装配状态，此时螺栓上不施加载荷；在法兰螺栓结构达到预装配状态后，执行步骤五到步骤七，分轮次对法兰螺栓进行拧紧，以使螺栓上预紧力达到目标值；步骤五：执行第一轮次，首次均采用对称拧紧顺序施加载荷；第一轮轮次初始载荷为0，引入步骤二计算的同侧负影响系数，即：其中，为第一轮加载的目标载荷，弹性交互作用系数矩阵[A1]8×8为：代入计算，求得：

【专利技术属性】
技术研发人员：戴伟，黄宇冰，褚健，赵宇，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11