基于VDI2230规范的螺栓评估（中）
本文摘要（由AI生成）：
本文介绍了基于VDI 2230规范的螺栓连接计算方法，包括不同工况下的螺栓形式和预紧力设置，以及有限元法在多螺栓连接分析中的应用。文章还详细说明了螺栓载荷的插入和相关设置，包括载荷步数、弱弹簧选项、大变形和节点力输出等。计算结果包括安全因子和预紧力等数据，并与VDI 2230规范和FEM计算结果进行了对比。文章最后介绍了作者王庆艳的背景和仿真秀的相关服务。
本文分为上、中、下三篇。上篇简要介绍了基于VDI2230规范Part1、Part2进行螺栓评估的步骤以及Bolt Assessment inside ANSYS的功能。此篇为中篇，将基于VDI 2230 B1以同心夹紧和同心加载为例，计算液压缸中活塞和活塞杆之间的螺栓连接。
一、初始条件
。
二、计算过程
基于Table A7，对于同心动态工作载荷以及，螺栓名义直径可以基于以下步骤确定：
A 表中较 大的第一个载荷是F=25000N
B2 对于动态同心轴向载荷，F的数据下移一格，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 为限制活塞杆截面弱化，强度等级选择12.9，因此可以得到对应的螺栓为M12。
选择的圆柱形螺栓为DIN EN ISO 4762-M12×60-12.9，详细尺寸信息为：
。
）,对于摩擦系数等级B，根据表A8，因此得到：
。
和（准）同心加载（a=0）。因此得到：
，表5给出了在每种情况下，螺纹和头部支承区域
和分界面
的嵌入，因此：
因此预加载荷损失为：
6、R5：根据公式（R5/1）确定最小预加载荷
因此：
的装配预加载荷 ：
。
，通过改变成较便宜的圆柱头螺钉
修正设计。
），最大螺栓力为：
，其中和
因此
利用公式（）和计算比较应力：
安全因子：
结论：螺栓可以支撑最大工作载荷。
10、R9：交变应力
由于是同心加载和夹紧，采用如下公式确定疲劳交变应力：
热处理前滚丝螺栓的疲劳极限根据公式（185）：
结论：
。
，不需要校核工作状态下的表面压力
。
和
，以及表A9和DIN EN ISO 898-1的抗拉强度，根据公式（199）计算强度比：
，表示内螺纹边界。
基于表A9得到活塞杆材料（C45）的剪切强度为
，从图37得到强度等级为10.9级的具体有效螺纹旋合长度：
因此：
现有总旋合长度如下：
因此：
。
13、R12：抗滑安全余量
略
14、R13：确定拧紧扭矩
，根据表A1的所需的拧紧力矩为：
三、基于Bolt Assessment inside ANSYS软件进行计算
1、几何及网格模型
建立活塞及活塞杆的几何模型，并划分网格。
2、材料属性
标号 | 部件名称 | 材料 |
1 | 活塞杆 | 结构钢 |
2 | 活塞 | 不锈钢 |
3 | 螺栓 | 不锈钢 |
3、载荷及约束条件
标号 | 螺栓形式 | 工况一 | 工况二 |
1 | 实体螺栓 | 最大预紧力：64800N 内部压力：5.5e6Pa 活塞圆柱面无摩擦支撑 活塞杆底部固定 | 最小预紧力：26921N 内部压力：5.5e6Pa 活塞圆柱面无摩擦支撑 活塞杆底部固定 |
2 | 等效截面螺栓（梁） | ||
3 | 变截面螺栓（梁） |
4、分析设置
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。
工况一：采用最大预紧力及工作载荷计算。
工况二：采用最小预紧力及工作载荷计算。
8、计算报告
针对每个螺栓都可以生成计算报告。
计算报告包括四部分，一是输入数据，二是结果数据，三是预紧力计算的数据，四是安全系数。
9、计算结果的对比
计算项 | VDI2230:2015 | FEM | 偏差【%】 | FEM | 偏差【%】 |
F_Kmin【N】 | 1000 | 38866.57 | ---- | 1231.57 | 23.16 |
F_Z【N】 | 2415.00 | 2386.65 | -1.17 | 2388.51 | -1.10 |
F_SA【N】 | 1394.40 | 1398.41 | 0.29 | 1645.1 | 17.98 |
F_Smax【N】 | 66194.00 | 66199.96 | 0.01 | 28566.23 | ---- |
S_F | 1.15 | 1.15 | -0.30 | 2.66 | ---- |
S_D | 5.89 | 5.71 | -2.98 | 4.85 | -17.58 |
S_P | 1.77 | 1.68 | -4.86 | 3.90 | ---- |
M_A[Nm] | 108.00 | 109.15 | 1.06 | ---- | ---- |
KISSsoft采用螺栓头的内径进行计算，内径较孔径大。因此有限元模型中的压力表面较VDI2230的参考值小5%。 基于Bolt Assessment inside ANSYS计算的S_P更精确。
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。
