基于VDI2230规范的螺栓评估(上)

作者：王庆艳，安世中德工程师，仿真秀科普作者

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。

德国螺栓VDI 2230 详解与实例解析16讲

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2020R1② ANSYS Mechanical Pro 及以上

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基于VDI2230规范的螺栓评估(上)

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