相较国标企标和有限元，螺栓设计VDI2230独有的4大优势
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导读：大家好，我是螺栓设计老张。自2021年4月到现在整整一年半时间一直没有开公开课了，主要是因为一直忙于螺栓计算VDI2230学科赴国内各大企业内部培训，除此之外，还有圆柱滚子轴承和齿轮箱的设计工作。但是我非常想找机会跟大家交流、切磋，最近朋友们也一直邀请，因此将于8月22日进行一场线上直播《机械关键零部件核心技术》，点击文尾阅读原文可报名观看，欢迎朋友们莅临。
螺栓联结是应用最为广泛的零件联结方法。相对于如铆钉联结、销钉联结、键联结、过盈配合联结等其它联结方式具有安全系数精准、安装拆卸方便、不破坏被连接件、适用范围广、成本低等独特优点而被各行各业广泛采用。德国工程师协会的VDI2230计算方法（或称学科）是以数学和力学为基础，以被连接件和螺栓整个系统作为研究对象，将材料力学理论和安装、应用等因素结合到一起形成的一门自称体系的螺栓联结系统计算分析方法（或称学科）。1、VDI2230与国标或者企标相比，它独有的主要特点如下：第一、精确。由于VDI2230以数学和力学为基础进行解析，因此相比于实验得到结论排除了误操作、设备精度、样本数量不足等因素影响。从而得到精确的结果。第二、准确。螺栓从来不是独立于被连接件而存在，螺栓和被连接件是相互影响的，螺栓的安全系数不仅仅取决于螺栓本身的规格、强度、工艺质量还取决于被连接件的尺寸、结构、材料、甚至是被连接件的表面粗糙度和润滑状态。VDI2230从螺栓和被连接件相同作用的角度出发，对这一整个系统进行研究、分析，因此得到的结果是准确的。并且只有如此才是最准备的计算。第三、全面。VDI2230在计算过程中将可能对螺栓预紧力和安全系数产生影响的因素都加入到计算当中，不仅仅包括螺栓的规格、强度、制造工艺、被连接件的参数，更包括外载荷的参数，甚至还包括安装时温度、应用环境温度、安装工具、安装方法等。VDI2230输出也是将螺栓和连接件的所有可能失效形式都以安全系数进行定量计算，分别以五大安全系数对应五种螺栓连接失效形式。在国标或是有些行业标准中，给出了螺栓的所谓预紧力。但是它们给出的值都是没有考虑被连接件的参数，更没有考虑外载荷的大小。因此，实际上是不能直接采用的。比如某风力发电机主机厂给的叶片与轮毂联结的螺栓M36，10.9级，按照国标或是行业企业标准查到为770 kN, 但是后来经过实践发生故障，把预紧力降到550 kN，依然发生事故。最后经过对叶片根部、轮毂法兰、螺栓这一整体进行VDI2230计算，得到460 kN，解决了这一难题。还有预紧力过小也同样会造成螺栓失效。这一案例我会在线下课详细讲解。因此，螺栓计算的结果为五大安全系数和需要施加的预紧力（或预紧力矩）精确值。其中预紧力又直接影响了这五大安全系数。预紧力作为计算结果，在计算过程中考虑了螺栓本身、被夹紧件参数、外载荷、安装、工况等所有因素，因此，预紧力的数值是每个行业、每个产品、每个零件、每个工况都不同的，都是需要采用VDI2230方法具体问题具体计算出来的。以轨道交通车辆齿轮箱拉杆螺栓为例，同样是两个M20的10.9级螺栓，在地铁上安全系数足够，即使同样的拉杆和螺栓用到380高铁或CR450高铁上，螺栓的安全系数就需要重新计算，原因是外载荷起到至关重要的作用（地体的载荷与高铁载荷不同）。并且，根据具体计算结果，有需要更换不同强度等级或规格螺栓方法，也有螺栓保持不变仅仅通过改变预紧力或预紧力矩大小就能获得同样安全系数的方法。而以上这些都是国标无法实现和完成的，因为国标里面是没有螺栓计算的内容的。原因是计算螺栓的安全系数也好，预紧力或预紧力矩也好，都是要根据外载荷的大小和方向、被夹紧件的尺寸和材料、螺栓自身的规格和强度等级，而这些都是千变万化，没有固定的数据和范围，无法事先通过计算做成表格供使用者查询。所以，关于螺栓的联结设计，只能是计算，是根据上述因素进行自定义计算。因此，即使同一个产品上，每个螺栓联结的安全系数、预紧力或预紧力矩都是各自计算出来的。以下图最简单的螺栓联结为例，螺栓规格为M20，强度等级为8.8级，涂抹润滑油，各处的摩擦系数均为0.12，外载荷为140 kN，载荷分配系数φ = 0.15。这种情况下，螺栓的预紧力矩该打多少呢？如果按照国标或者某些企业标准的算法，根据螺栓的屈服强度反推出此时螺栓能承受的预紧力矩，那结果为M = 460Nm。如果按照这个结果来施加预紧力矩，螺栓受到的拉力为144Nm。在外载荷F=140 kN 作用时候，螺栓受力实际为144 0.15X140=165 kN，此时螺栓已经断裂、失效。但是如果根据VDI2230来计算，就需要考虑外载荷F的大小和上下两个被夹紧件的尺寸，在此外载荷F=140 kN 作用时候，螺栓无需预紧，因此在外载荷F=140 kN 作用时候，螺栓受力实际为140 kN。此时螺栓不会失效，安全。当然上述只是一个工况案例，如果螺栓受力如下图所示，此时的预紧力计算就更复杂，除了需要外载荷F，还需要螺栓、两个被夹紧件的材料和尺寸等信息。此时的载荷分配系数为虽小，但是需要的预紧力更大。螺栓实际受到的总的力会更大，螺栓更危险。而这些内容，国标是没有的。
对于有限元软件不仅仅是上述四点无法实现，还有零外的一点就是有限元软件需要输入预紧力数值。而实际上预紧力数值从来都是计算结果，不可能预先知道。因此，有限元软件无法真正用于螺栓计算。2.1、有限元计算：1）无法求取需要的预紧力或预紧力矩；2）安全系数计算不完整；3）由于以光杆代替螺杆，计算不精确；4）成本高，结果一致性不高；5）逻辑性不强；6）无法指导被加紧件的设计；7）并且只能获得应力，无法对应力结果进行评价。因此适用于被夹紧件结构比较复杂情况下的个别计算步的计算。2.2、VDI2230计算：成本高低，结果一致性高。逻辑性强，可以实验所有安全系数和预紧力矩的全部计算。适用于范围广。只能通过计算获得得应力，也能对应力结果进行评价。3、德国工程师协会的VDI2230、有限元、国标三者实用性对比归纳如下：
三、VDI2230螺栓链接公开课
以上就是笔者总结经验，如有不当，欢迎专家学者批评指正。8月22日19时30分，笔者受邀在仿真秀官网进行一场线上直播公开课《机械关键零部件核心技术》以下是课程安排：
VDI2230 螺栓连接结构设计计算公开课-仿真秀直播
（完）
作者：螺栓设计老张 仿真秀优秀讲师
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