[发明专利]结合面真实接触面积测量装置与测量方法

权利要求书

1.结合面真实接触面积测量装置，其特征在于，包括：超声探头(1)、上试件(2)、支架(3)、下试件(4)、电涡流传感器(5)、钢球(6)、基座(7)、螺栓(8)、应变片、电桥、动态应变仪、力矩扳手、超声波发生器/接收器、超声波数据采集卡、信号采集系统和计算机；超声探头(1)放置上试件(2)上，用于测量结合面真实接触面积的大小；上试件(2)与支架(3)紧固在一起；下试件(4)设置于上试件(2)与基座(7)之间，基座(7)与下试件(4)之间安装有中心钢球(6)，基座(7)上设有针对中心钢球(6)的中心螺纹孔，中心螺纹孔中安装有螺栓(8)；螺栓与中心钢球(6)接触，中心钢球(6)与下试件(4)接触，上试件(2)与下试件(4)相互接触；电涡流传感器(5)与下试件(4)相连，用于测试结合面的变形量；电涡流传感器(5)的输出端通过信号采集系统连接计算机；超声探头(1)通过超声波发生器/接收器和超声波数据采集卡连接计算机，用于检测不同预紧力下结合面的声阻抗和穿透力相关数据，并将所得数据传送给计算机。

2.根据权利要求1所述的结合面真实接触面积测量装置，其特征在于，所述螺栓(8)为10.9S级高强度扭剪型螺栓；螺杆轴心处内置应变片，通过电桥和动态应变仪能够测量螺栓预紧力的大小；应变片通过动态应变仪和信号采集系统连接计算机。

3.根据权利要求1所述的结合面真实接触面积测量装置，其特征在于，下试件(4)与基座(7)之间布置五个钢球，五个钢球的布置方式为：一个布置在与基座的中心处，用于传递力，另外四个均布在基座垂直轴线上，用于支撑下试件和调整下试件的同轴度。

4.根据权利要求1所述的结合面真实接触面积测量装置，其特征在于，电涡流传感器(5)对称布置下试件(4)的两侧。

5.根据权利要求1所述的结合面真实接触面积测量装置，其特征在于，上试件(2)与支架(3)之间的连接是过盈配合。

6.根据权利要求1所述的结合面真实接触面积测量装置，其特征在于，通过力矩扳手调节螺栓(8)的预紧力，能够获得不同预紧力下结合面的变形，从而能够获得结合面力与位移之间的关系，根据力与位移之间的关系获得结合面的接触刚度。

7.根据权利要求1所述的结合面真实接触面积测量装置，其特征在于，上试件(2)和下试件(4)采用相同或者不同材料进行配对；两接触面的加工方式相同或不同；结合面加润滑油或不加任何润滑油。

8.结合面真实接触面积测量方法，其特征在于，基于权利要求1只7中任一项所述的结合面真实接触面积测量装置，当螺栓(8)预紧力确定后，上试件(2)和下试件(4)相互接触，根据超声探头(1)获得声阻抗和穿透力，通过公式运算计算出结合面真实接触面；具体包括以下步骤：

(a)通过超声探头(1)测量上试件(2)和下试件(4)的声阻抗Z₁和Z₂，根据式(1)求反射系数：

R=Z2-Z1Z2+Z1---(1)]]>

(b)通过超声探头(1)测量接触区和非接触区的穿透力，根据(2)求得结合面处超声波的穿透力：

h＝h'+h”(2)

式中，h'表示非接触区超声波的反射穿透力，h”表示接触区超声波的反射穿透力；

(c)根据式(1)和式(2)，计算结合面的接触率：

η=11-R(1-hh0)---(3)]]>

式中，h₀表示无结合面结构的反射穿透力；

(d)根据接触率和名义接触面积，求得真实接触面积：

A_r＝Aη(4)

式中，A表示名义接触面积。