基于VDI2230规范的螺栓评估（下）

作者 | 王庆艳 仿真秀科普作者

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）

来源：仿真秀APP