基于VDI2230规范的螺栓评估（下）

一、初始条件

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

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:

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

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

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。