螺栓強度的案例
高強度螺栓一定比普通螺栓強度高？
高強度螺栓是鋼結構施工中最普遍常見的施工內容，所有鋼結構工程師都會覺得熟悉得不能再熟悉了。然而事實可能并非如此，今天我們從最基本的概念的入手，帶你重新認識高強度螺栓，可能會顛覆你最基本的認識。
一、什么是高強度螺栓
高強度螺栓（High-Strength Friction Grip Bolt），英文直譯為：高強度摩擦預緊螺栓，英文簡稱：HSFG。可見，我們中文施工中所說的高強度螺栓是高強度摩擦預緊螺栓的簡稱。在日常溝通中，僅僅是簡略了“摩擦（Friction）”“預緊（Grip）”兩個詞，卻造成了許多工程技術人員對高強度螺栓基本定義的理解，產生了誤區。
誤區一：
材料等級超過8.8級的螺栓，就是“高強度螺栓”？
高強度螺栓和普通螺栓的核心區別并不在于使用材料的強度，而是受力的形式。本質是是否施加預緊力，并利用靜摩擦力抗剪。（1）*
實際上在英標規范，美標規范中提到的高強度螺栓（HSFG BOLT）只有8.8級和10.9級兩種（BS EN 14399 / ASTM-A325&ASTM-490），而普通螺栓卻有包含有4.6，5.6，8.8，10.9，12.9等（BS 3692 11款表2）；由此可見，材料強度高低并不是區別高強度螺栓與普通螺栓的關鍵。
二、正確理解“高強”，強在何處
按照GB50017，計算單個普通螺栓（B類）8.8級和高強度螺栓8.8級抗拉及抗剪強度。
通過計算我們可以看到，相同等級的情況下，普通螺栓的抗拉強度和抗剪強度的設計值都要高于高強度螺栓。（2）*
那么高強度螺栓，“強”在哪里？
為回答這一個問題，必須從兩種螺栓的設計工作狀態入手，研究其彈塑性變形的規律，并理解到設計破壞時的極限狀態。
展開 【專業知識】高強度螺栓又叫高強度摩擦預緊螺栓，這些你知道嗎？
高強度螺栓是鋼結構施工中最普遍常見的施工內容，所有鋼結構工程師都會覺得熟悉得不能再熟悉了。然而事實可能并非如此，今天我們從最基本的概念的入手，帶你重新認識高強度螺栓，可能會顛覆你最基本的認識。
01 什么是高強度螺栓
高強度螺栓（High-Strength Friction Grip Bolt），英文直譯為：高強度摩擦預緊螺栓，英文簡稱：HSFG。可見，我們中文施工中所說的高強度螺栓是高強度摩擦預緊螺栓的簡稱。在日常溝通中，僅僅是簡略了“摩擦（Friction）”“預緊（Grip）”兩個詞，卻造成了許多工程技術人員對高強度螺栓基本定義的理解，產生了誤區。
誤區一：材料等級超過8.8級的螺栓，就是“高強度螺栓”？
高強度螺栓和普通螺栓的核心區別并不在于使用材料的強度，而是受力的形式。本質是是否施加預緊力，并利用靜摩擦力抗剪。
展開 【專業知識】高強度螺栓又叫高強度摩擦預緊螺栓，這些你知道嗎？
高強度螺栓是鋼結構施工中最普遍常見的施工內容，所有鋼結構工程師都會覺得熟悉得不能再熟悉了。然而事實可能并非如此，今天我們從最基本的概念的入手，帶你重新認識高強度螺栓，可能會顛覆你最基本的認識。
01
什么是高強度螺栓
高強度螺栓（High-Strength Friction Grip Bolt），英文直譯為：高強度摩擦預緊螺栓，英文簡稱：HSFG。可見，我們中文施工中所說的高強度螺栓是高強度摩擦預緊螺栓的簡稱。在日常溝通中，僅僅是簡略了“摩擦（Friction）”“預緊（Grip）”兩個詞，卻造成了許多工程技術人員對高強度螺栓基本定義的理解，產生了誤區。
誤區一：材料等級超過8.8級的螺栓，就是“高強度螺栓”？
高強度螺栓和普通螺栓的核心區別并不在于使用材料的強度，而是受力的形式。本質是是否施加預緊力，并利用靜摩擦力抗剪。
實際上在英標規范，美標規范中提到的高強度螺栓（HSFG BOLT）只有8.8級和10.9級兩種（BS EN 14399 / ASTM-A325&ASTM-490），而普通螺栓卻有包含有4.6，5.6，8.8，10.9，12.9等（BS 3692 11款表2）；由此可見，材料強度高低并不是區別高強度螺栓與普通螺栓的關鍵。
誤區二：高強度螺栓的承載能力高于普通螺栓，是為“高強”？
由單個螺栓的計算可知，高強度螺栓抗拉和抗剪的設計強度均低于普通螺栓。其高強實質是：正常工作時，節點不允許發生任何相對滑移，即：彈塑性變形小，節點剛度大。
展開 高強度螺栓基礎知識，緊固方法
高強度螺栓是鋼結構施工中最普遍常見的施工內容，所有鋼結構工程師都會覺得熟悉得不能再熟悉了。然而事實可能并非如此，今天我們從最基本的概念的入手，帶你重新認識高強度螺栓，可能會顛覆你最基本的認識。
什么是高強度螺栓
高強度螺栓（High-Strength Friction Grip Bolt），英文直譯為：高強度摩擦預緊螺栓，英文簡稱：HSFG。可見，我們中文施工中所說的高強度螺栓是高強度摩擦預緊螺栓的簡稱。在日常溝通中，僅僅是簡略了“摩擦（Friction）”“預緊（Grip）”兩個詞，卻造成了許多工程技術人員對高強度螺栓基本定義的理解，產生了誤區。
誤區一：材料等級超過8.8級的螺栓，就是“高強度螺栓”？
高強度螺栓和普通螺栓的核心區別并不在于使用材料的強度，而是受力的形式。本質是是否施加預緊力，并利用靜摩擦力抗剪。
實際上在英標規范，美標規范中提到的高強度螺栓（HSFG BOLT）只有8.8級和10.9級兩種（BS EN 14399 / ASTM-A325&ASTM-490），而普通螺栓卻有包含有4.6，5.6，8.8，10.9，12.9等（BS 3692 11款表2）；由此可見，材料強度高低并不是區別高強度螺栓與普通螺栓的關鍵。
誤區二：高強度螺栓的承載能力高于普通螺栓，是為“高強”？
由單個螺栓的計算可知，高強度螺栓抗拉和抗剪的設計強度均低于普通螺栓。其高強實質是：正常工作時，節點不允許發生任何相對滑移，即：彈塑性變形小，節點剛度大。
可見：在給定設計節點荷載的情況下，用高強度螺栓設計的節點并不一定能節省螺栓使用數量，但是其變形小，剛度大，安全儲備高。
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高強度螺栓基礎知識，緊固方法
高強度螺栓是鋼結構施工中最普遍常見的施工內容，所有鋼結構工程師都會覺得熟悉得不能再熟悉了。然而事實可能并非如此，今天我們從最基本的概念的入手，帶你重新認識高強度螺栓，可能會顛覆你最基本的認識。
什么是高強度螺栓
高強度螺栓（High-Strength Friction Grip Bolt），英文直譯為：高強度摩擦預緊螺栓，英文簡稱：HSFG。可見，我們中文施工中所說的高強度螺栓是高強度摩擦預緊螺栓的簡稱。在日常溝通中，僅僅是簡略了“摩擦（Friction）”“預緊（Grip）”兩個詞，卻造成了許多工程技術人員對高強度螺栓基本定義的理解，產生了誤區。
誤區一：材料等級超過8.8級的螺栓，就是“高強度螺栓”？
高強度螺栓和普通螺栓的核心區別并不在于使用材料的強度，而是受力的形式。本質是是否施加預緊力，并利用靜摩擦力抗剪。
實際上在英標規范，美標規范中提到的高強度螺栓（HSFG BOLT）只有8.8級和10.9級兩種（BS EN 14399 / ASTM-A325&ASTM-490），而普通螺栓卻有包含有4.6，5.6，8.8，10.9，12.9等（BS 3692 11款表2）；由此可見，材料強度高低并不是區別高強度螺栓與普通螺栓的關鍵。
誤區二：高強度螺栓的承載能力高于普通螺栓，是為“高強”？
由單個螺栓的計算可知，高強度螺栓抗拉和抗剪的設計強度均低于普通螺栓。其高強實質是：正常工作時，節點不允許發生任何相對滑移，即：彈塑性變形小，節點剛度大。
展開 提高螺栓連接強度幾點措施
制造工藝對螺栓的疲勞強度有很大影響。對于高強度鋼制螺栓，更為顯著。采用輾制螺紋時，由于冷作硬化的作用，表層有殘余壓應力，金屬流線合理，螺栓疲勞強度比車削的高。碳氮共滲、氮化、噴丸處理都能提高螺栓疲勞強度。
影響螺栓強度的因素很多，有材料、結構、尺寸參數、制造和裝配工藝等等。如何來提高螺栓強度呢。
01
改善螺紋牙間的載荷分布
改善螺紋牙間的載荷分布
采用普通螺母時，軸向載荷在旋合螺紋各圈間的分布是不均勻的，如圖1(a)所示，從螺母支承面算起，第一圈受載最大，以后各圈遞減。
理論分析和試驗證明，旋合圈數越多，載荷分布不均的程度也越顯著，到第 8～10 圈以后，螺紋幾乎不受載荷。
所以，采用圈數多的厚螺母，并不能提高聯接強度。若采用圖1(b) 的懸置（受拉）螺母，則螺母錐形懸置段與螺栓桿均為拉伸變形，有助于減少螺母與栓桿的螺矩變化差，從而使載荷分布比較均勻。圖 1(c)為環槽螺母，其作用和懸置螺母相似。
圖1
02
避免或減小附加應力
由于設計、制造或安裝上的疏忽，有可能使螺栓受到附加彎曲應力（圖 2）， 這對螺栓疲勞強度的影響很大，應設法避免。
例如，在鑄件或鍛件等未加工表面上安裝螺栓時，常采用凸臺或沉頭座等結構，經切削加工后可獲得平整的支承面（圖 3）。
圖2
圖3
03
減小應力集中
螺紋的牙根、螺栓頭部與栓桿交接處，都有應力集中，是產生斷裂的危險部位。其中螺紋牙根的應力集中對螺栓的疲勞強度影響很大。
展開 如何提高螺栓連接的強度？
大多數情況下，受拉螺栓聯接的強度決定于螺栓的強度。影響螺栓強度的因素很多，有材料、結構、尺寸參數、制造和裝配工藝等等。
小編下面介紹一些提高螺栓強度的措施。
01
改善螺紋牙間的載荷分布
采用普通螺母時，軸向載荷在旋合螺紋各圈間的分布是不均勻的，如圖1(a)所示，從螺母支承面算起，第一圈受載最大，以后各圈遞減。
理論分析和試驗證明，旋合圈數越多，載荷分布不均的程度也越顯著，到第 8～10 圈以后，螺紋幾乎不受載荷。
所以，采用圈數多的厚螺母，并不能提高聯接強度。若采用圖1(b) 的懸置（受拉）螺母，則螺母錐形懸置段與螺栓桿均為拉伸變形，有助于減少螺母與栓桿的螺矩變化差，從而使載荷分布比較均勻。圖 1(c)為環槽螺母，其作用和懸置螺母相似。
圖1
02
避免或減小附加應力
由于設計、制造或安裝上的疏忽，有可能使螺栓受到附加彎曲應力（圖 2）， 這對螺栓疲勞強度的影響很大，應設法避免。
例如，在鑄件或鍛件等未加工表面上安裝螺栓時，常采用凸臺或沉頭座等結構，經切削加工后可獲得平整的支承面（圖 3）。
展開 螺栓連接強度校核
01 螺紋連接分為：螺栓連接，螺柱連接，螺釘連接
02 螺栓組的布置原則
03 螺栓組的工況
橫向力
軸向力
扭矩
彎矩
04 螺桿直徑，螺距，螺桿應力截面積，螺桿最小拉力載荷，螺桿保證載荷
05 螺母的保證載荷
06 普通螺栓的強度校核
07 預緊螺栓的強度校核
08 鉸制孔螺栓的強度校核
基于Workbench的螺栓/螺釘預緊力仿真及螺栓強度校核的方法 ￥10
圖4
3、結果
提取螺釘螺紋部分的Equivalent（von-mises）stress應力，可以看到，第一圈螺紋處應力最大，約為447Mpa，一般情況下，我們會用該應力與螺釘的屈服強度或者抗拉強度進行對比校核。
圖5 Equivalent（von-mises）stress應力
本文提出另一種校核方法，即剪切應變能學說進行校核。具體如下（公式倒不進來，就截圖了）：
此時，在Workbench中提取螺桿軸向應力，即Nomal stress，選取前面建立的局部坐標系，選擇Z軸進行結果查看。由結果可知，軸向應力為519Mpa，小于561Mpa，螺釘強度滿足要求。
圖6 Nomal stress應力
4、后續說明
主要介紹三點：
1）上述僅介紹了螺栓預緊力的施加及螺栓強度校核的方法，在模型中，我們能夠看到，其實螺帽與螺桿交界處比螺桿處應力更大，該部分為整個結構的薄弱部位，更應該關心。
2）在工程結構設計時，我們更關心：給螺釘施加某一預緊力或者某一個范圍的預緊力時，螺釘即不會發生松動也不會發生破環。也就是得到螺釘的最大預緊力及最小預緊力。該部分需要結合連接結構件的材料特性、外載荷、振動、溫度環境等多種環境最終確定最適預緊力，后續可逐步介紹。其中螺栓、螺母的仿真與該部分內容類似，這里不再介紹。
3）預緊力與工程扭矩如何換算，如有需要，后續也可進行介紹。
展開 槽式太陽能聚光板支架螺栓強度仿真
槽式太陽能聚光板支架工作環境惡劣，風力會大大影響支架螺栓壽命，選擇合適的強度的螺栓能提高太陽能聚光板的使用壽命。本仿真就聚光板的螺栓進行仿真分析。
2.計算原理
由于槽式太陽能支架工作時，每天承受不同風級載荷的作用。考慮常規使用環境可能經受的風級及可忽略情況，6-12級風載情況下對槽式太陽能支架的影響。風載工況如表所示。
3.槽式太陽能承受風載工況
序號
風載等級
換算載荷/Pa
1
4
60.23
2
6
114.56
3
8
257.5
4
10
491.25
5
12
800
3.材料屬性
仿真采用Q235剛作為聚光板支架，材料屬性如圖。
4．網格劃分
5.施加約束
槽式太陽能支架的連接采用剛性連接方式，方鋼與太陽能反光板支架底座上的焊接采用剛性連接，底座與反光板支架采用螺栓連接，螺栓與螺栓孔之間的接觸定義為“表面與表面接觸”，法向定義為“硬”接觸，切向定義為“罰”；在模型中反光板的與支架的連接處施加全約束。在反光板的外側施加于板面相垂直的均布荷載模擬風荷載。
6.計算結果
7.結論
鋼結構連接螺栓的性能等級分為10多個等級，例如3.6、4.0、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9。螺栓等級的特定含義是例如代表拉伸強度的等級4.8的螺栓。0.8表示強度除以拉伸強度的比，即4.8級螺栓的拉伸強度為400MPa，強度為400×0.8＝320MPa，6.8級螺栓的拉伸強度為600MPa，強度為600×0.8＝480MPa，。
承受風載條件下，載荷10級風力時，槽式太陽能托臂支架變形約為1mm，建議選用高強度螺栓。
展開 高強度螺栓疲勞壽命分析與設計改進
通過接觸狀態的比較研究, 可以進一步確定螺栓處于交變應力狀態下。
螺栓疲勞 S-N 曲線與疲勞壽命計算
計算結果表明, 該風扇座環連接螺栓的疲勞可定性為低周疲勞。
目前, 在進行零部件低周疲勞分析時, 常用的是基于應變的疲勞分析方法。同時, 螺栓為高預緊力的受力狀態, 在采用應變方法進行計算分析時, 需計入平均應力修正的影響。
3.1 螺栓疲勞 S-N 曲線
3.1.1 ASME 標準螺栓疲勞 S-N 曲線.
針對高強度螺栓的疲勞分析, ASME 規范中規定了相關的 S-N 參數。
在 ASME標準中, 基于光軸試件的疲勞曲線設計是基于多項式函數的方式給定, 涉及低合金碳素鋼、鎳鉻合金鋼、銅鎳合金、鎳鉻鉬合金鋼以及高強度螺栓等材料, 其計算公式為,
式中, Sa 指應力幅值, N 為設計的循環次數。式中 Ci 數值均可從標準中查得。
3.1.2 基于應變疲勞的S-N曲線.
基于應變疲勞的 S-N曲線計算公式為,
式中, Δε/2=εu為全應變幅值, Δεe/2=Δσ/2E=σa/E為彈性應變幅值, Δεp/2=Δε/2-Δεe/2為彈性應變幅值, ε'f為疲勞持久系數, c為疲勞持久指數, σ'f為疲勞強度系數, b為疲勞強度因子, E為彈性模量, Δσ/2=σa為應力幅值。
文獻對于上述公式給出了近似的方法,
式中, Δε/2=εu全應變幅值, εf=ln (A0/Af) =ln[100/ (100-%RA) ], 真實的斷裂應變或延展性, %RA=100 (A0/Af) /A0) , 斷面收縮率百分比, Su=Pmax/A0極限拉伸強度。
展開 
VDI2230進行螺栓強度評估中,對于Ssym的一些理解 ￥10
問題：
在學習VDI2230對螺栓進行強度評估校核過程中，涉及到一個知識點Ssym值，即螺栓偏心布置——螺栓軸線與被夾緊件的等效變形體軸線有一定偏離。通讀全文，關于Ssym的值如何計算，文中并未給出過多解釋。
個人理解：
本人在學習過程中，對于Ssym的理解和計算方式如下，請批評指正。
首先，對于一般螺栓連接夾緊模型，可以參考VDI2230關于變形錐和變形套筒的分割方式，在被夾緊件的螺栓兩側分別劃分出等效變形體。
下圖為一般多層夾緊件，螺栓兩側劃分出的等效變形體（紅色區域）（綠色區域為被夾緊件的幾何結構）
其次，結合關于Ssym的定義：
l Ssym： distance of the bolt axis from the axis of the imaginary laterally symmetrical deformation body.
l Ssym：螺栓軸線與假想對稱變形體軸線的距離。
即，Ssym為螺栓軸線與變形體中軸線的距離。螺栓軸線位置已知，因此，只需計算出紅色變形體的中軸線即可獲得與螺栓軸線的Ssym距離值。
紅色變形體的中軸線可以理解為，軸線左右兩側的變形體軸向剛度K1’ = K2’
這里先給出本人推導的Ssym計算公式，及其驗算結果。
計算思路和推導過程如下：
展開 高強度螺栓的斷裂分析
高強度螺栓的斷裂分析
不銹鋼梁柱高強度螺栓摩擦型連接節點精細化有限元分析
引言
本文目的是通過對不銹鋼梁柱高強螺栓摩擦型連接節點進行精細化有限元分析，以確定該節點破壞機制、延性以及抗震性能。為此，本文對單調和循環荷載下不銹鋼梁柱高強度螺栓摩擦型連接節點進行真實精細化數值模擬，并與試驗結果對比來驗證數值模型的準確性，在此基礎上分析不銹鋼材料非線性、梁翼緣厚度、不銹鋼高強螺栓預緊力和不銹鋼抗滑移系數對該節點破壞機制、承載力、延性以及抗震性能的影響，為合理設計不銹鋼梁柱高強度螺栓摩擦型連接節點提供依據。
2. 不銹鋼梁柱高強度螺栓摩擦型連接節點精細化有限元模型建立
如表1所示，節點中柱尺寸均為450×250×16×12，有效長度為2.3m，梁尺寸有400×150×12×8（JW-1、JC-1和JC-3）和400×150×14×8（JC-2），有效長度為1.65m，其它尺寸見圖1。節點所用不銹鋼以及不銹鋼螺栓和不銹鋼鉚釘的真實應力應變曲線通過試驗得到的名義應力應變關系得到，其主要材料參數見表2和3，泊松比均為0.3，鋼材本構在單調加載和循環加載下分別采用等向強化模型和雙線性隨動強化模型，屈服準則采用Von Mises準則。柱端施加500kN軸力，其軸壓比為0.13，柱腳固定約束。梁端平面外約束，梁端單調位移加載（JW-1）或循環位移加載（JC-1、JC-2和JC-3），循環加載方式見圖2。不銹鋼的抗滑移系數設定為0.4，不銹鋼高強螺栓預緊力為170kN，不銹鋼環槽鉚釘預緊力為205.6kN，不考慮焊縫的影響。
本章選用abaqus有限元軟件進行建模分析，螺栓或鉚釘單元為實體單元C3D8R，其余均選擇abaqus2019新開發的實體殼單元CSS8，具體有限元模型見圖3。連接板件之間的接觸和螺栓與連接板件之間的接觸選擇有限滑移的面-面接觸以保持較大的滑移。
展開 淺談熱處理工藝在提高緊固件制造水平中的作用
長期以來，我國高強度螺栓存在壽命短、可靠性差和結構重等三大問題。三大問題嚴重制約高端機械裝備發展和安全服役。高強度螺栓決定了高端機械裝備主要連接功能，體現機械裝備壽命、可靠性與經濟可承受能力，是高端機械制造的核心。
1、高強度螺栓的主要失效模式是疲勞
疲勞是一種在循環應力和應變的重復作用下，螺栓一處或幾處發生開裂或斷裂的失效形式。疲勞包括裂紋萌生和裂紋擴展兩個過程，在低于材料的屈服強度下發生，在無明顯變形下突然失效。所以，與其它失效形式相比，疲勞是一類最危險的失效形式之一。
通常，車輛上的連接螺栓為拉-拉疲勞失效。例如，風力發電機組服役環境復雜而惡劣，既承受動載荷沖擊又承受腐蝕環境，所用連接螺栓疲勞斷裂高達85%。高強度螺栓的主要失效模式是疲勞，大量的高強度螺栓疲勞失效分析結果表明，70%以上的疲勞失效源自表面損傷、頭桿交接處脫碳、螺紋加工有明顯的細小裂縫或切削加工刀痕不連續處和表面腐蝕物、淬火組織不均勻，因為那兒應力集中度高。這些都與緊固件制造水平有關。
2、熱處理賦予緊固件材料極限性能
熱處理是采用加熱與冷卻方法控制相變，微觀結構、殘余應力場，賦予材料極限性能和高強度螺栓極限服役性能的工藝技術。它既是一門理論性很強的科學，又是一類實踐性很強的技術。實踐性很強說的是先進熱處理工藝隨著材料和高強度螺栓千變萬化，而且不斷創新、不斷發展、不斷進步。高強度螺栓普遍選用高強度低合金鋼制造。可以看到，沒有哪個材料可以離開熱處理，沒有哪個高強度螺栓不依賴熱處理。需要特別指出熱處理是當今賦予材料極限性能的特種技術之一。
熱處理與制坯技術、切削技術不同。冷鐓制坯、鍛造制坯、鑄造制坯和焊接制坯可以制出一定形狀和大尺寸的坯件，十分顯眼。切削加工可以制出各種精密、美觀的高精度螺栓，極為露眼。
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