高強度螺栓連接已經廣泛應用于建筑、橋梁、軌道交通、風電等各行各業。國內早已有相關技術標準對高強度螺栓進行校核，大多數是基于《機械設計手冊》進行評估，但是其評估方法具有一定的局限性，會帶來一系列問題。目前，國內外對高強度螺栓的評估，更精確的方式是基于《VDI 2230規范》。

VDI 2230是由德國機械工程師協會在1986年首次制定，經歷了30多年的實踐，為螺栓連接校核提供了系統性的參考。

圖 VDI 2230規范

該規范分為Part 1與Part 2兩個部分，其中大部分內容在Part 1中，主要介紹了對單螺栓問題的評估流程與細節，從理論上闡述了力、力矩以及變形之間的關系；Part 2部分是針對多螺栓問題進行的補充。VDI 2230規范既能通過理論公式、經驗公式等校核單個同心或偏心的夾緊/加載螺栓，也可以實現多螺栓系統的評估。但在這種方式中，如若純依靠人工手動計算，有些參數很難給出，并且用戶經常需要做出額外的假設，會導致有較高的安全系數，設計的域度過大。

圖 VDI 2230規范計算流程

為解決此問題，德國CADFEM公司基于VDI 2230規范和有限元方法，開發了高效的螺栓評估工具Bolt Assessment inside ANSYS。使用該軟件求解過程中，有限元計算結果和用戶自定義的參數可傳遞給后臺求解器，求解器基于此數據可計算出不同階段、不同方面的安全因子，并基于ANSYS Workbench強大、易用的后處理，允許用戶快速識別出關鍵螺栓。求解完成后，軟件將自動保存計算報告，報告中包含了所有的設計參數、計算過程數據、結果數據等，方便用戶的查詢與檢查。

圖 Bolt Assessment inside ANSYS工作流程

Bolt Assessment inside ANSYS軟件功能介紹

1、GUI

圖 Bolt Assessment inside ANSYS交互界面

2、當前版本的功能

軟件可基于VDI 2230規范自動計算單螺栓或多個螺栓的安全因子，并將結果直接展現在GUI中：

• Overall：所有安全因子中的最小值

• SF：抗屈服安全因子

• SD：抗疲勞失效安全因子

• SP：抗表面壓潰安全因子

• SG：抗滑移安全因子

• SAE：抗螺紋失效安全因子

其他結果：

• 裝配狀態下的等效應力

• 裝配狀態下的材料利用率

• 最小旋合長度

• 軟件支持的其他功能：

• 多載荷步的評估

• 多載荷步之間的疲勞失效評估

• 支持基于VDI 2230 Part2中的Model class II（梁）與Model class III（實體）

• 預緊力的施加可支持PRETS179單元和MPC184單元（支持大旋轉）

輸出計算報告：

圖 Bolt Assessment inside ANSYS計算報告

3、模型處理

在整個連接系統的模型處理中，被夾緊件可按照實際情況建模、簡化，需要重點關注的是螺栓的建模方式，目前版本支持梁單元（Model class II）與實體單元（Model class III）的螺栓建模。

3.1 梁單元

梁單元的建模又分為兩種情況：

• 等截面梁模型，僅包含一條等截面的梁

• 變截面梁模型，多段不等截面的梁

圖梁單元螺栓

在Bolt Assessment inside ANSYS中可自動創建等截面梁模型，并自動與被夾緊件建立連接關系，支持Joint連接與綁定接觸。

圖 等截面梁建模方式

3.2 實體單元

實體螺栓模型的建立需要保證螺栓的上下表面與螺栓軸線垂直。螺栓模型中不包括螺紋部分，而是將螺紋部分通過小徑代替，如下圖所示：

圖 實體螺栓等效模型

4、螺栓載荷設置

預緊力、嵌入以及外載荷均可通過“預緊歷史”管理，通過設置不同工況組合，可設置多載荷之間的循環進行疲勞安全因子的評估。

圖 預緊歷史界面

Bolt Assessment inside ANSYS優勢

1、Bolt Assessment inside ANSYS具有極高的計算效率，設定參數后數十秒完成計算，極大地減小了VDI2230 part1手動計算的繁瑣。

2、Bolt Assessment inside ANSYS計算可靠，準確，避免VDI2230 part1手動計算可能造成的人為計算錯誤，同時Bolt Assessment inside ANSYS會將每個步驟過程和計算結果輸出到計算報告中，幫助用戶完成最終的分析報告。

3、Bolt Assessment inside ANSYS結合了有限元和螺栓規范VDI2230各自的優點，能夠克服常規有限元分析不能可靠的評估螺栓強度和安全系數的缺點，同時又能夠自動獲取基于VDI2230規范手動計算難以獲得的參數，如：

• 多螺栓系統中各螺栓載荷分配數值，可以基于螺栓非線性接觸，Bolt Assessment inside ANSYS自動提取

• 螺栓連接的柔度計算，及螺栓、被夾緊件變形情況，導致的圓錐體角度不恒定

• 極限直徑DA,Gr的取值，Bolt Assessment inside ANSYS可以自動獲取

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作者：安小龍 安世亞太仿真業務部