基于VDI2230规范的螺栓评估（下）

导读：本文分为上、中、下三篇。基于VDI2230规范的螺栓评估（上）简要介绍了基于VDI2230规范Part1、Part2进行螺栓评估的步骤以及Bolt Assessment inside ANSYS的功能（放上链接）。基于VDI2230规范的螺栓评估（中）以VDI 2230 B1（Part1）为例，分别介绍了采用理论及软件计算液压缸中活塞和活塞杆之间的螺栓连接过程。

本篇为下篇，以VDI2320 B2（Part1）为例，将介绍采用理论计算和软件计算承受横向载荷的刚性联轴器的螺栓连接计算。

一、初始条件

计算和评估下图中法兰联轴器中的螺栓。摩擦传递（在两个方向）的扭矩为：

联轴器的两半由EN-GJL-250制造，并用12个符合DIN EN ISO 4014的六角头螺栓连接。

图 法兰联轴器上的螺栓连接

材料组合GJL-GJL的最小静摩擦系数： 

联轴器半边的表面粗糙度：

预紧方式：信号扭矩扳手

二、计算过程

1、R0：初步确定名义直径，检查有效范围

通过扭矩

加载连接，用分度圆直径计算每个螺栓产生的周向或横向载荷为：

由于

使用扭矩扳手拧紧，基于Table A7，螺栓名义直径可以基于以下步骤确定：

A 用F=10000N 作为对的下一个最大比较载荷中较大的第一个载荷是F=25000N

B1  对于动态横向载荷，F的数据下移四格，得到最小预紧载荷:

C   由于采用扭矩扳手拧紧，继续下移一格得到最大预紧载荷:

D   假设强度等级选择10.9，因此可以得到对应的螺栓为M16。

使用具有对应螺栓强度等级的标准螺母。

由于仅存在横向载荷，因此无需校核有效范围。

2、R1：拧紧系数

根据表A8，由于使用扭矩扳手拧紧，如果已知某些校准试验结果，因此得到：为安全起见，选择：

3、R2：所需的最小夹紧载荷

为了传递规定的动态横向载荷，具有力传递内部分界面的给定摩擦夹紧连接，需要的最小夹紧载荷为：

4、R3：工作载荷的划分、弹性回弹量和载荷引入系数

由于工作载荷发生为横向载荷，所以省略和以及n和的确定，用公式（19）计算螺栓回弹量。

限于篇幅原因，省略详细计算过程，只列出结果。

详细计算过程参见VDI2230 part1 B2。

5、R4：计算嵌入导致的预加载荷损失

对于剪切载荷和预定粗糙度高度

的情况，由表5可知，嵌入量在螺纹中为 ，在螺栓头部和螺母支承区域一起为，在分界面上为。总嵌入量为：

根据公式（113），由于嵌入导致的预加载荷损失为：

6、R5：根据公式（R5/1）确定最小预加载荷

由于不考虑热效应（

）和轴向工作载荷（ ），因此：

7、R6：最大装配预加载荷

考虑R1和R5，计算最大装配预加载荷，因此

8、R7：确定装配应力和校核螺栓规格

可以从表A1获得要求最小屈服点90%利用率和螺纹中最小摩擦系数

的装配预加载荷 ：

由于，所以满足所需关系。

选择的螺栓满足要求。

9、R8：工作应力（略）

10、R9：交变应力（略）

11、R10：确定表面压力

根据公式（193），用许用装配预加载荷和最小支承面积，其中 ，得到：

根据表A9材料GJL-250的许用限制表面压力。适用：

由于在操作期间不产生轴向加载，因此省略关于的验证。

12、R11：确定最小螺纹旋合长度

省略，因为使用了与螺栓对应强度的标准化螺母。

13、R12：抗滑安全余量和剪切应力

由公式（R12/1）获得最小预加载荷和因此的夹紧载荷

抵抗滑移的安全因子：

因此 

（规范推荐值），满足要求

如果连接由于意外横向载荷峰值而滑动，则在风险截面为

中螺栓上的最大剪切载荷为：

根据表7的剪切强度比和螺栓断裂时的公称应力

，剪切强度计算为：

由于

，满足螺栓抗剪切要求。

14、R13：确定拧紧扭矩

基于表1，假设头部摩擦：

所选螺栓（M16,强度等级10.9级和

）的拧紧扭矩确定为：

三、基于Bolt Assessment inside ANSYS软件进行计算

1、几何及网格模型

建立法兰及螺栓的几何模型，并划分网格。

2、材料属性

标号	部件名称	材料
1	法兰	灰口铸铁
2	螺栓	结构钢

3、载荷及约束条件

根据最大预紧力和最小预紧力，分别计算两个工况，第一个工况采用允许的预紧力（也即最大预紧力）和工作载荷，重点评估抵抗表面压力的安全因子。第二个工况采用最小预紧力和工作载荷，重点评估抵抗滑移的安全因子。

4、分析设置

序号	分析设置
1	载荷步数：3
2	弱弹簧选项：off
3	大变形：on
4	节点力输出：是

5、插入螺栓载荷，并完成相关设置

根据螺栓类型（实体或梁）分别点击对应的按钮插入螺栓载荷。

定义螺栓相关参数：

序号	螺栓参数
1	上下表面 承压面（实体螺栓）
2	预紧力定义	直接施加预紧力	工况一：118800N
			工况二：74250N
		预紧力矩
3	嵌入量	直接输入嵌入量：0.011mm
4	螺栓数据	螺栓类型：ISO 4014
		强度等级：10.9
		公称直径：16mm（自动提取）
		螺栓长度：80mm（自动提取）
		螺纹制造：最后热处理
5	螺栓类型	通孔（带螺母）
		螺母标准：ISO 4032
		螺母预紧定义：通过强度等级（12）
		剪应力比（0.6）
6	孔的定义	标准：用户输入
		直径：17.7mm（用于提取最小承压面，用于计算表面压力）
7	基本数据	螺纹处粗糙度因子：0.12
		支撑表面粗糙度因子：0.12
		螺栓头下部极限表面压力：850Mpa
		载荷循环次数：2000000次
		缩减系数：0.5
		计算SF时是否考虑MSA：是
8	交接面定义	是否评估滑移：是
		交接面数量：1
		摩擦系数：0.15（用于计算抵抗滑移的安全因子）
		pinball参数：0.9
9	可直接查看在KISSSoft中所用的数据

6、求解计算

7、结果查看

在Mechanical环境下，插入需要查看的安全因子，包括抵抗屈服的安全因子、抵抗表面压力（螺栓头下表面与被连接件接触表面、螺母与被连接件接触表面）抵抗疲劳以及交接面滑移的安全因子。

本例子中外载为扭矩载荷，螺栓轴向附加载荷接近于0。因此采用允许的预紧力（最小屈服点90%）作为做大预紧力进行加载，因此装配应力保持在屈服点以下。工作应力等于装配应力，因此无需校核抵抗屈服的安全因子。交变应力也不相关。只需要校核抵抗表面压力（针对最大预紧力的情况）和抵抗滑移的安全因子（针对最小预紧力的工况）

工况一：采用最大预紧力及工作载荷（扭矩）计算，重点关注抵抗表面压力的安全因子。

结果分析：由于螺栓同样的预紧力和相同的参数，所以每个螺栓的安全因子相同，均为1.0818,采用软件及VDI2230规范理论计算结果非常吻合。

工况二：采用最小预紧力及工作载荷（扭矩）计算，重点关注交接面抵抗滑移的计算结果。

8、计算报告

针对每个螺栓都可以生成计算报告。

以上是仿真秀专栏作者王庆艳老师基于VDI 2230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，欢迎感兴趣的朋友关注我们。

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。

声明：原创文章，首发仿真秀***（ID:fangzhenxiu2018），部分图片源自网络，如有不当请联系我们，欢迎分享，禁止私自转载，转载请联系我们。

希望深入学习VDI 2230规范的朋友，欢迎联系仿真秀定制企业内训，报名和咨询仿真秀2020年线下培训安排，请添加仿真秀小秘书沟通（见下方二维码）。

刘老师15321399867（**同号）