基于VDI2230规范的螺栓评估(上)

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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本文摘要（由AI生成）：

本文主要介绍了VDI2230规范，包括Part1和Part2两部分，是针对高强度螺栓连接计算的公认标准。Part1主要针对单螺栓问题，Part2针对多螺栓的载荷分布及应力问题。Bolt Assessment inside ANSYS是在ANSYS软件WB界面下，基于德国VDI 2230规范开发形成的螺栓分析评估工具。该工具可以更精确地计算螺栓的荷载，并能够评估螺栓的各种强度安全因子。

一、写在前面

【螺栓评估准则】：VDI2230（高强度螺栓连接系统计算）规范是德国工程师协会负责编写整理，包括Part1及Part2两部分，是目前针对高强度螺栓连接计算的公认标准，从理论上阐述了力、力矩以及变形之间的关系，目前已有超过40年的实际应用。

其中Part1主要针对单螺栓问题，Part2针对Part1中很难确定的多螺栓的载荷分布及应力问题，提出了针对多螺栓（MBJ）分析计算的方法（刚体力学，弹性力学），同时引入有限元法，介绍了针对螺栓连接的数字法应用。

1、适用范围：

钢制螺栓；
60º牙型角螺纹；
高强度螺栓（8.8~12.9级或70和80级）；
尺寸范围从M4-M39；
有限范围的接触区域（尺寸G）；
相关材料性能（A1-A4、A6、A7、A9、A11和A12）仅在环境温度下适用。

2、假设条件：

无极端应力（如腐蚀、冲击等）；

手动计算假设横截面始终保持为平面。

【螺栓评估工具】：Bolt Assessment inside ANSYS是基于VDI2320规范和有限元法的螺栓评估工具，在ANSYS软件WB界面下开发，解决工程师单纯依靠规范人工手动计算时，有些参数无法直接给出，多螺栓评估困难，计算复杂容易出错，计算步骤多效率低下以及计算结果可视化等问题。二、VDI2230规范概述螺栓连接可以分为单螺栓连接和多螺栓连接，VDI2230 part1适用于评估单螺栓连接。因此针对多螺栓（MBJ）问题，需要确定最高承载螺栓，并将其从整体模型中分离出来。

二、VDI2230规范概述

螺栓连接可以分为单螺栓连接和多螺栓连接，VDI2230 part1适用于评估单螺栓连接。因此针对多螺栓（MBJ）问题，需要确定最高承载螺栓，并将其从整体模型中分离出来。

基于VDI2230规范Part1进行单螺栓装配评估可以大致分为三个阶段，分别是初步计算、夹紧以及加载阶段，采用以下14个步骤（R0-R13）进行：

Preliminary calculations

（初步计算）

Clamping

（夹紧）

Loading

（加载）

R0 :

Nominal diameter d;

Limiting size G

确定公称直径及限制尺寸

R3 :

Load factor

确定载荷系数

R8：

Working stress

工作应力

R1:

Tightening factor

确定扭紧系数

R4 :

Evolution of clamping force

确定夹紧载荷的变化

R9：

Fatigue loading ,

交变应力,

R2:

Minimum clamping force

确定最小夹紧载荷

R5 :

Minimum clamping force during assembly

装配期间的最小夹紧力

R10：

Contact pressure ,

接触压力

------------

R6：

Maximum clamping force during assembly

装配期间的最大夹紧力

R11：

Minimal threaded engagement length ,

最小螺纹长度

------------

R7：

Resistance of the screw

装配应力、

R12：

Safety factor to sliding and shear

抵抗滑移的安全因子及最大剪切力

------------

R13：

Tightening torque

拧紧扭矩

VDI 2230（2014版，Beuth Verlag）的part2 进一步解释了多螺栓连接的系统计算。除分析计算方法外，本部分还提出了VDI2230 part1中使用有限元模拟结果进行螺栓评估的适用方法。

详细计算步骤请参见VDI 2230 Part1及Part2规范详细讲解。

三、Bolt Assessment inside ANSYS软件介绍

Bolt Assessment inside ANSYS是在ANSYS软件WB界面下，基于德国VDI 2230规范开发形成的螺栓分析评估工具。

VDI2230规范既能通过理论和经验公式、数据来评价单个同心或偏心夹紧圆柱螺栓接头，也可实现多个系统的计算螺栓连接，但在这种方式中，有些参数很难评估给出，并且用户经常做额外的假设，会导致有较高的安全系数，设计的域度过大。

为了更好地计算螺栓的荷载并能够更准确的评估，Bolt Assessment inside ANSYS在有限元仿真分析计算方法的基础上，利用有限元实际螺栓和承力结构件模型，通过分析自动获取相关的参数，再基于VDI 2230规范评估螺栓的安全性和可靠性。

螺栓的重要参数，如强度等级，螺栓或孔的直径可由用户定义，在求解过程中，有限元计算值和用户定义的参数可传递给螺栓设计计算模块Kisssoft计算出不同阶段下的校核解，这些计算结果可直接显示在ANSYS界面上，允许用户快速识别出关键螺栓。此外，计算所生成的报告将保存在ANSYS WB界面下，自动显示出每个螺栓的计算结果。

1、支持的ANSYS版本

① ANSYS18.0及以上版本，目前支持最新版2020R1

② ANSYS Mechanical Pro 及以上

2、功能介绍

Bolt Assessment inside ANSYS将VDI2230规范的过程与有限元计算进行了结合，提供了完整的螺栓计算分析功能：

1）有限元模型处理：

需特别注意螺栓几何模型及接触的定义。

【螺栓几何模型】：除螺栓外，其他模型根据常规方式进行处理。为了精确的模拟螺栓，推荐参考VDI Part2 7.2.2.4部分以及VDI Part1 5.1.1部分。Bolt Assessment inside ANSYS最新版本（for ANSYS 2020R1）支持线模型及实体模型，分别对应于VDI2230 part2中的Model II 及Model III。

① Model II：支持两种类型的梁模型：

等效横截面梁模型，只有一条线。
不同横截面梁模型，可以有几条线。

② Model III：实体螺栓

每个螺栓只能包含一个体，螺栓上下表面必须与螺栓轴线垂直。几何中不包括螺纹，因此未考虑螺纹区域刚度。推荐的螺栓建模形式如下：

螺栓的上部直径推荐采用公称直径d，螺纹区域采用小径。

【接触设置】：针对螺栓分别采用线模型及实体模型的情况分别说明

③ 线模型螺栓

根据VDI2230 Part2 7.2.2.4建议部分，夹紧部件与螺栓的端部采用绑定接触（MPC）进行连接。

④ 实体螺栓

螺纹区域与螺母或者盲孔区域必须采用绑定接触。其他接触（螺栓头/螺母承压区域、交接面处）采用摩擦接触。

2）载荷及边界条件设置：

除螺栓载荷外，其他载荷及边界条件正常施加，因需要考虑螺栓预紧力及嵌入的影响，求解设置中至少包括两个载荷步：

① 不考虑嵌入的影响：至少两个载荷步

Step1：螺栓预紧力
Step2：外载

② 考虑嵌入的影响：至少三个载荷步

Step1：螺栓预紧力
Step2：嵌入（计算因嵌入引起的预紧力损失）
Step3：外载

3）插入螺栓载荷并进行相关参数设置：

选择螺栓，并插入螺栓载荷，完成相关参数设置。

设置的内容包括：

① 螺栓选择：可以手动选取也可以基于已定义的Name Selection选取。针对实体螺栓，软件自动识别螺栓上下表面及螺栓头承压面，并自动提取公称直径以及螺栓长度等参数。针对线螺栓，可包含多段线，软件自动识别上下端点。

② 交接面设置：选择要评估滑移的交接面，并设置摩擦系数以及Pinball参数。

③ 预紧力设置：可选择通过“力”以及“预紧力矩”的方式定义预紧力。当采用“预紧力矩”定义时，可设置拧紧系数，确定是采用最大预紧力还是最小预紧力进行计算。

④ 嵌入设置：可选择通过“手动”（直接输入嵌入量）以及“交接面粗糙度”两种方式进行定义。交接面粗糙度和嵌入量之间关系参见VDI2230,part1 Table5。

⑤ 预紧过程：预紧力、嵌入以及工作载荷等可以通过“预紧过程”界面管理，同时，通过勾选不同工况设置疲劳评估的循环载荷。

⑥ 螺栓数据：提供了完整的螺栓及螺母数据库，用户在进行螺栓设置时可直接采用数据库中的参数，包括螺栓类型、强度等级、公称直径、螺栓长度、工艺处理以及基础数据。

螺纹摩擦系数：影响计算工作应力中的剪应力的值，缺省值是0.1。
承压面摩擦系数：在给定预紧力时，影响预紧力矩的计算，缺省值是0.1。
螺母支撑摩擦系数：在给定预紧力时，影响预紧力矩的计算。
极限表面压力（螺栓头）：螺栓头接触表面的极限表面压力，缺省值是630（MPa）
极限表面压力（螺母）：螺母接触表面的极限表面压力，缺省值是630（MPa）
载荷循环次数：疲劳极限载荷循环次数（N>2*10^6）或者耐久极限（N>10^4 ）。缺省值是2* 10^6。
缩减系数：用于计算工作应力。
计算安全因子是否考虑MSA（附加弯矩的影响）。

4）评估结果的显示：

SF：抵抗屈服强度的安全因子

SD：抵抗疲劳的安全因子

SP：抵抗接触面压力的安全因子

SGstd：抵抗滑移的安全因子

SGwt：抵抗滑移的安全因子（无扭转）

5）计算报告：基于规范，进行螺栓评估和分析的中间数据和过程将通过报告自动生成得到，以供校核和评审使用。

四、Bolt Assessment inside ANSYS与VDI2230 part1手动计算过程对比说明

1、Bolt Assessment inside ANSYS未直接考虑VDI2230 part1 step0-7,推荐用户分别执行最大预紧载荷及最小预紧载荷进行两次分析。其中允许的最大预紧载荷可以基于VDI2230 part1 Tables A1-A4获取。最小预紧载荷可以基于最大预紧载荷及预紧因子进行计算。螺栓及被夹紧件的柔度不需要计算，因为刚度的影响已经包含在有限元模型中。校核螺栓的各种强度安全因子后，如果不通过，重新设计，迭代循环完成螺栓设计和校核。

2、R8：计算抵抗屈服的安全因子，

采用模型中提取的预紧力Fv替换。可以考虑附加弯矩的影响。假定横向力和扭矩是通过界面摩擦传递的，因此，附加扭矩和横向力不用于计算安全系数SG。然而，拧紧产生的扭矩参见VDI2230 part1的方程式（153）进行考虑，相应的扭转应力折减系数默认设置为0.5。用户可以更改此值。

3、R9：计算抵抗疲劳的安全因子。根据选定的两个载荷步计算应力幅值，螺栓杆中附加弯矩的影响根据VDI 2230 part2，当计算后轧制螺栓的疲劳安全因子的疲劳极限

时，假设平均螺栓载荷

等于

。

4、R10：计算螺栓头和螺母承压面抵抗压力的能力。假定夹紧部件的外径大于螺栓头的直径。用于计算压力的力是螺栓的总轴向力：

。如果

。

5、R11：确定最小拧入深度。此步骤在Bolt Assessment inside ANSYS中未做考虑。

6、R12：计算抵抗滑移的安全因子，软件中可以采用两种方式计算

① 采用KISSsoft求解器进行计算，并输出到计算报告中。

② 直接采用Bolt Assessment inside ANSYS计算，并在ANSYS Mechanical中进行显示。

7、R13：此步骤计算的预紧力矩的值直接在计算报告中给出。其中Bolt Assessment inside ANSYS计算每个交接面的安全因子，可以通过“show interface Results”to “yes”显示交接面的结果。

五、Bolt Assessment inside ANSYS 优势于VDI2230 part1手动计算的核心点

1、Bolt Assessment inside ANSYS计算效率非常高，求解快速，设定好数十秒完成计算，减少VDI2230 part1手动计算繁琐的计算过程，往往一次计算长达几十分钟，同时可能迭代循环计算。

2、Bolt Assessment inside ANSYS计算可靠，准确，避免VDI2230 part1手动计算可能造成的人为计算错误，同时Bolt Assessment inside ANSYS会将每个步骤过程和计算结果通过计算报告清楚的给出，大大方便最后分析报告的验证校核和完成。

3、Bolt Assessment inside ANSYS结合了有限元和螺栓规范VDI2230的相互优点，能够克服常规有限元分析不能可靠的评估螺栓强度和安全系数，同时又能够达成基于VDI2230规范手动计算不能很好实现的下面各步骤：

多螺栓各螺栓通过的载荷大小和具体载荷分配数值，可以基于螺栓非线性接触，Bolt Assessment inside ANSYS自动提取各螺栓旁路载荷和钉载载荷
同轴紧固螺栓连接的弹性回弹力计算，计及螺栓变形情况，导致的圆锥体角度不恒定
偏心紧固螺栓连接载荷因子和载荷系数计算中，极限直径 DA,Gr的取值，Bolt Assessment inside ANSYS可以自动获取
R10计算螺栓头和螺母承压面抵抗压力的能力。采用有限元计算结果接触处理，结合规范评估。
R12计算抵抗滑移的安全因子，直接采用Bolt Assessment inside ANSYS计算，结果更精确，再结合规范评估。

以上是仿真秀专栏作者王庆燕老师基于VDI2230规范Part1、Part2进行螺栓评估的步骤以及Bolt Assessment inside ANSYS的功能讲解。

后续她还将分别从实例化的角度介绍螺栓设计评估的手动计算实例及软件（Bolt Assessmentinside ANSYS）计算实例，同时对比规范计算及软件计算的区别，欢迎感兴趣的朋友持续关注。

作者：王庆艳，安世中德工程师，仿真秀科普作者，车辆工程专业硕士学位，10多年的CAE行业技术服务、工程技术经验，参与了航空航天、电子、石油石化等多个行业的多个仿真咨询及开发项目，积累了大量工程仿真应用经验。目前同时负责基于FKM规范开发的静强度及疲劳强度评估工具、基于VDI2230规范开发的螺栓强度校核工具的相关技术工作。

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