本文档属于类型a，即单篇原创性研究报告。以下是针对该研究的学术报告：

作者及机构
本研究由Zhixiang Li、Zhen Zhao（通讯作者）、Jiaying Zhang（均来自北京航空航天大学航空科学与工程学院）以及Caishan Liu（北京大学工学院湍流与复杂系统国家重点实验室）合作完成，发表于《Structures》期刊2024年第69卷。

学术背景
研究领域聚焦于工程紧固件的力学性能分析，具体针对螺栓装配过程中的应力分布问题。螺栓作为航空器、风电主轴等关键设备的连接件，其可靠性直接影响整体结构安全。传统光弹性实验（photoelasticity test）因材料限制（如使用Bakelite树脂）和复杂冻结工艺，难以真实反映工程金属螺栓的装配应力分布。此外，现有研究多基于轴向拉伸载荷，忽略了实际装配中扭矩-预紧力（preload）的转化机制。因此，本研究提出基于光学频域反射技术（OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry）的新型实验方法，旨在实现装配过程中螺栓应力分布的实时、精准测量。

研究流程
1. 实验设计与准备
- 研究对象：ISO标准M20六角头螺栓（参数详见表1），内部钻有5mm通孔并切割0.3mm导槽，嵌入直径0.155mm的PI光纤。
- 实验模块：分为螺栓加载操作模块（含数字扭矩扳手、压力传感器）、应变测量模块（武汉昊衡OSI-D分布式光纤传感系统，空间分辨率1.28mm）和数据采集模块（SA1808B2系统）。
- 关键创新：通过OFDR技术解析光纤瑞利散射信号，将应变分布转化为轴向应力分布（公式：σ=Eε），并引入轴向力增益因子（axial force gain factor, g_F）量化最大轴向力与预紧力的关系。

1. 扭矩-预紧力实验

   • 分组设计：对比使用/未使用推力轴承（thrust bearing）的实验，消除螺栓头摩擦影响。
     
   • 数据采集：施加1–9 N·m扭矩，每组重复3次，记录预紧力。结果表明扭矩与预紧力呈线性关系（无轴承时比例系数k_FT=4.2，有轴承时k_FT=1.94），验证了Motosh理论公式的适用性。
     

2. 应力分布实验

   • 过程：在3–9 N·m扭矩下，通过OFDR实时测量光纤应变分布（图4）。结果显示：
     
     • 应力在自由端（free face）附近趋近于零，向加载端（loaded face）逐渐增大，但在距加载端1.5倍螺距（pitch）处出现应力下降现象（图5a）。
       
     • 最大轴向应力与扭矩呈线性正相关（图5b），且通过公式F=Aσ计算的预紧力与实测值误差<4.8%（表2）。
       
     • 轴向力增益因子g_F为40–50%，表明最大轴向力达预紧力的1.4–1.5倍（图5c）。
       

3. 对比验证

   • Yamamoto模型：理论解与实验数据在应力上升段高度吻合，但未预测到应力下降现象（图6）。
     
   • 光弹性实验：应力集中因子（stress concentration factor）最大值3.9与Hetenyi的结果（3.85）一致，验证了实验准确性。
     

结果与结论
1. 关键发现
- 螺栓应力分布呈现非均匀性：约80%载荷由靠近加载端的前几个螺纹承担，且应力下降现象与螺纹未完全成型导致的局部压缩有关（图9）。
- 提出的轴向力增益因子g_F为工程中通过预紧力推算最大轴向力提供了直接依据。

1. 科学价值

   • 首次将OFDR技术应用于螺栓装配过程的实时应变测量，克服了传统光弹性法的材料局限性。
     
   • 揭示了扭矩-预紧力-应力分布三者的定量关系，为螺栓连接设计提供了实验支撑。
     

2. 应用意义

   • 该方法可应用于航空发动机、风电设备等关键部位的螺栓健康监测，预防因应力集中导致的断裂事故。
     

研究亮点
- 方法创新：开发了基于光纤内嵌的螺栓应力测量技术，空间分辨率达毫米级。
- 理论突破：提出轴向力增益因子，填补了扭矩装配下最大轴向力预测的空白。
- 工程兼容性：实验采用标准金属螺栓，结果可直接指导实际装配工艺优化。

其他价值
研究通过有限元分析（图7-8）证实应力下降源于局部压缩力，为后续螺纹结构优化（如倒角设计）提供了方向。

（注：全文约1500字，涵盖研究全流程的核心内容与数据支撑。）