VDI2230的案例
某市軌道交通車輛發生螺栓失效，看VDI2230如何扭轉乾坤 附VDI2230-2下載
二、VDI 2230 不是標準而是設計導則
人類對螺栓的使用歷史悠久，早在古羅馬事情就有應用。但對螺栓的受力研究最深入的還是德國工程師協會Verein Deutscher Ingeneur 的標準 VDI2230。
VDI 2230 更確切地說不是標準而是設計導則。通俗來講，標準的作用類似于字典，使用者只需按圖索驥找到相應的條目查詢即可，而設計導則更多地是原理的講解、公式的推導和方法的選用規范。
VDI 2230共分兩卷，VDI 2230-1和VDI 2230-2。后者是對多個螺栓或是一組螺栓在外載荷作用下，各個螺栓如何分擔承受此外載荷，也就是說將承擔相同力學任務的一組按一定規則或者不規則排布的螺栓看成一個整體，在這個整體受到3個方向的力和3個方向的力矩（如外力分量不足6個人，則認為相應的缺失力或力矩值為0）的情況下，各個螺栓上被分配到的力不盡相同，但是到底多大，這是VDI 2230-2的任務，是進行螺栓計算的第一步，即把外載荷的作用精確地分配到各單個螺栓上。然后再根據VDI2230-1的理論，對單個螺栓進行計算。
雖然VDI2230-1在計算順序上排在VDI2230-2之后，但確是整個螺栓計算中的難上之難、重中之重，它不僅精確地分析了螺栓受力時的力學原理，而且把計算過程嚴格地進行程序化。這是德國工程師深入研究一絲不茍以及嚴格遵守流程的絕佳體現。
三、VDI2230導則在實際工程的應用解析
VDI 2230博大精深，后續會有一整套課程詳細講解。如下圖：本文由于篇幅所限，只是引出VDI2230這個導則在工程實際中的一個應用。比如針對本文開頭提到的螺栓斷裂問題，顯然不是由于載荷過大，也不是螺栓選取不合理。
展開 德國VDI2230螺栓計算終極武器，這次終于懂了 附VDI2230-1下載
所有適用于計算螺栓的工業軟件都是基于德國工程師協會的螺栓設計計算學科VDI2230開發的。
但是現有的工業軟件依然無法取代工程師的分析和理論計算。工業軟件只能對及其簡單的結構和非常簡單的工況下螺栓連接進行計算。例如：采用現有的工業軟件計算，螺栓的規格和等級是需要輸入的。但是這些信息正是我們所需要求取的，是未知量。因此，工業軟件無法直接求取螺栓規格和等級等信息。采用工業軟件計算，載荷引入點系數n也是需要輸入的。同樣，n值是未知量，需要我們求取的。
采用工業軟件，被夾緊件的幾何參數，如DA和DA‘很多情況下是不同的數值，這個是根據不同的結構，根據經驗來取值。而工業軟件無法區分各種不同的結構。
三、齒輪箱螺栓采用VDI2230理論計算結果
如下圖為高鐵鼓形齒聯軸器法蘭聯接螺栓。
經過計算，得到結果如下：
或者說是螺紋牙抗剪切的
安全系數為1.25
擰緊力矩需要65 Nm.
可見，采用VDI2230計算，邏輯清晰，結果完整，可靠性高。
四、三種計算結果的差異匯總
圖片來自網絡，版權歸原作者
VDI2230計算：成本低，結果一致性高。邏輯性強，可以實驗所有安全系數和預緊力矩的全部計算。適用于范圍廣，可以適用于復雜結構或復雜工況。既能通過計算獲得的應力，也能對應力結果進行評價。
下載地址：VDI2230-1
展開 基于VDI2230的螺栓校核工具
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。
展開 ansys Workbench螺栓載荷提取時，如何計算載荷偏心距離（VDI2230） ￥10
使用上述截面力矩提取方法，計算VDI2230中的初始條件，載荷偏心距a的插件，使用介紹。
插件主要實現，
1. 自動循環移動截面位置，提取X軸彎矩數據；
2. 繪制彎矩曲線圖；
3. 插值計算彎矩0點位置；
4. 在零點附近增補提取截面，精確插值結果;
螺栓VDI2230設計分析
概述
螺栓VDI2230（Bolt Assessment inside ANSYS）是在ANSYS軟件WB界面下，基于德國《VDI 2230系統計算高應力連接螺栓評估規范》形成的螺栓建模、關鍵參數分析和計算、螺栓評估工具。VDI2230規范既能通過理論和經驗公式、數據來評價單個同心或偏心夾緊圓柱螺栓接頭，也可實現多個系統的計算螺栓連接。但在這種方式中，有些參數很難評估給出，并且用戶經常做額外的假設，會導致有較高的安全系數，設計的域度過大。為了更好地計算螺栓的荷載并能夠更準確的評估，安世中德開發了螺栓VDI2230設計分析工具。
Bolt Assessment inside ANSYS在有限元仿真分析計算方法的基礎上，提出了一種合理的方法和指標，使用戶能基于VDI 2230利用有限元仿真結果評估螺栓。螺栓的重要參數，如強度等級、螺栓或孔的直徑可由用戶定義，在求解過程中，有限元計算值和用戶定義的參數可傳遞給螺栓設計計算模塊-Kisssoft，計算出不同階段下的校核解，這些計算結果可直接顯示在ANSYS界面上，并允許用戶快速識別出關鍵螺栓。此外，計算所生成的報告將保存在ANSYS WB界面下，自動顯示出每個螺栓的計算結果。
Bolt Assessment inside ANSYS集成于ANSYS，提供了高效可靠的螺栓建模、關鍵參數分析和計算、螺栓評估功能，為高強度螺栓設計和分析提供了非常專業的仿真與設計結合的解決方案。
2.
展開 VDI2230中關于扇形圓環截面的慣性矩公式小結 ￥10
背景：
在學習螺栓強度校核VDI2230的過程中，有使用到求：螺栓連接面的慣性矩問題。其中遇到對于圓周均勻分布的螺栓求取單個螺栓在通孔位置的慣性矩公式。
VDI2230未注明公式出處，為驗證準確性與機械設計手冊公式及制圖軟件進行對比。該過程中注意到如下問題：
問題：
機械設計手冊中關于“扇形圓環” 慣性矩的公式：
設計手冊中關于Ix特指穿過截面重心“S”的xx軸慣性矩。
當關注的軸線沒有穿過截面重心“S”時，簡單將Ix公式中ys替換為y會造成錯誤。
示例：
使用3D軟件和手冊推薦公式進行對比
原因：
關鍵點在于手冊中的“ys”特指穿過截面重心“S”的xx軸與圓心ox軸的距離。
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 VDI2230關于螺栓偏心彎矩和外載彎矩的一些理解 ￥10
問題：
在學習VDI2230對螺栓進行強度評估校核過程中，涉及到螺栓偏心載荷的附加彎矩和外載荷有彎矩作用時的螺栓計算問題。VDI2230文中提及彎矩會影響螺栓的預緊力計算，但是公式較為復雜不便理解，尤其是關于被夾緊夾彎曲柔度的計算較為模糊。
解決方法：——（個人理解，請批評指正）
本人在學習過程中，關于螺栓預緊力的計算主要參考了無彎矩的計算形式。但是彎矩又確實作用在了螺栓連接處，是螺栓載荷的一部分。因此，為了補充彎矩對螺栓強度的影響，這里直接計算了彎矩對應的螺栓應力。將彎矩載荷對應的螺栓應力參與到后續螺栓應力評估中。
在前文提及的，被夾緊件兩側等效變形區軸向剛度計算 和 被夾緊件計算偏心距Ssym已經計算完成條件下，對螺栓彎曲應力的計算梳理如下：
一：將螺栓彎曲問題計算模型簡化：
? 螺栓桿為可變形體；
? 螺栓頭/螺母理解為剛性體；
? 兩側被連接件抽取等效變形體為兩個壓縮彈簧；
二：螺栓擰緊過程的變形過程如下圖所示:
螺栓在初始預緊力Fn作用下，軸向壓縮兩側被連接件。由于兩側被連接件剛度不一致，螺栓產生一定彎曲變形。
展開 螺栓設計評估分析解決方案
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本文共計1207字，閱讀時間預計4分鐘
編者按
Bolt Assessment inside ANSYS將VDI2230規范的過程與有限元計算進行了結合，提供了完整的螺栓計算分析功能，解決了螺栓VDI2230規范中的一些缺陷。
螺栓VDI2230（Bolt Assessment inside ANSYS）是在ANSYS軟件WB界面下，基于德國VDI2230系統計算高應力連接螺栓評估規范形成的螺栓建模、關鍵參數分析和計算、螺栓評估模塊。
VDI2230規范既能通過理論和經驗公式、數據來評價單個同心或偏心夾緊圓柱螺栓接頭，也可實現多個系統的計算螺栓連接，但在這種方式中，有些參數很難評估給出，并且用戶經常做額外的假設，會導致有較高的安全系數，設計的域度過大。
為了更好地計算螺栓的荷載并能夠更準確的評估，該工具提出了一種合理的方法和指標以能基于VDI2230規范利用有限元仿真結果評估螺栓。
■ 螺栓的重要參數，如強度等級，螺栓或孔的直徑可由用戶定義。在求解過程中，有限元計算值和用戶定義的參數可傳遞給螺栓設計計算模塊計算出不同階段下的校核解，這些計算結果可直接顯示在ANSYS界面上，允許用戶快速識別出關鍵螺栓。
展開 螺栓設計評估分析解決方案
螺栓VDI2230（Bolt Assessment inside ANSYS）是在ANSYS軟件WB界面下，基于德國VDI2230系統計算高應力連接螺栓評估規范形成的螺栓建模、關鍵參數分析和計算、螺栓評估模塊。VDI2230規范既能通過理論和經驗公式、數據來評價單個同心或偏心夾緊圓柱螺栓接頭，也可實現多個系統的計算螺栓連接，但在這種方式中，有些參數很難評估給出，并且用戶經常做額外的假設，會導致有較高的安全系數，設計的域度過大。
為了更好地計算螺栓的荷載并能夠更準確的評估,該工具提出了一種合理的方法和指標以能基于VDI2230規范利用有限元仿真結果評估螺栓。螺栓的重要參數，如強度等級，螺栓或孔的直徑可由用戶定義，在求解過程中，有限元計算值和用戶定義的參數可傳遞給螺栓設計計算模塊計算出不同階段下的校核解，這些計算結果可直接顯示在ANSYS界面上，允許用戶快速識別出關鍵螺栓。此外，計算所生成的報告將保存在ANSYSWB界面下，自動顯示出每個螺栓的計算結果。
圖1 功能菜單
圖2 軟件界面
提供完整的螺栓計算分析功能
Bolt Assessment inside ANSYS將VDI2230規范的過程與有限元計算進行了結合，提供了完整的螺栓計算分析功能：
1、模型信息的識別：支持采用“梁”及“實體”建立的螺栓模型，
l 梁螺栓模型：支持等效截面或變截面
圖3 梁模型截面
l 實體螺栓模型：根據用戶選擇的螺栓實體，可自動識別關鍵幾何（承壓面）及幾何參數（公稱直徑及螺栓長度），并支持修改。
展開 VDI2230進行螺栓強度評估,任意被夾緊件等效變形體的創建方法 ￥10
VDI2230關于被夾緊件柔度的計算分了多種不同的形式。在應用過程中，嚴格區分/歸類實際螺栓連接的被夾緊件形式相對困難，特別是進行編程設計自動計算時，如果按手冊解釋的各種類型的不同公式歸類進行柔度計算，將非常難以實現。
但是，手冊也同時給出了一種解決任意復雜被夾緊件柔度的計算方法。就是將被夾緊件分割為等效變形錐和變形套環分別進行計算。
本人在學習過程中，在任意被夾緊柔度計算方法的基礎上，進行了大膽且合理的變更。將螺栓兩側被夾緊件分別對待，均獨立進行變形體的分割。如下所示：
對比施加螺栓預緊力載荷仿真模型，讀取被夾緊件的軸向應力結果：兩側不對稱變形體形態與仿真結果基本匹配。
以下為本人針對被夾緊件柔度計算的理論方法和編程實現的主要關鍵內容：（不含程序源碼）
一：被夾緊件的分割方式：變形錐和變形套環
? 由目標被夾緊件的上界面和下界面，確定目標被夾緊件層的邊緣點R1 、R2
? 已知：每層被夾緊件的參數值，V、U、Lk、R1、R2等參數
? 每個單側被夾緊件，先求解R_Da Gr 和R_limit
? 根據 U、R_Da Gr 、Rmax 和R_limit的關系分類五中不同形式。
? 程序計算時，不必區分五中形式，均按一般形式計算即可
展開 
機械人必須掌握的3元素：齒輪負責傳動，軸承負責支撐，螺栓負責聯接
我們可以分三個方向：
第一、熟練掌握那些所謂“看不見、摸不著”深奧的技術，比如螺栓設計計算學科VDI2230，過盈壓配計算學科DIN7190，應力評價學科FKM。這些內容，不像普通標準一樣直接查閱就能得到結果，需要至少力學和數學為基礎并深入理解，還需要長期實踐積累案例才能融會貫通。因此，屬于所謂的“看不見、摸不著”的高深玩意。
我有一個朋友跟領導參加方案技術討論會，因為總工是機械出身，所以，每到機械內容討論的時候，總工就滔滔不絕，員工在展示方案的時候每句話他都要打斷然后發表自己的看法。但是輪到電氣同事展示電氣方案的時候，這位總工就老老實實地一言不發了。說明他不懂，產生了敬畏之心。因此，我推薦大家學習上述三門學科。
下面我舉幾個例子。前幾年曾經有個風力發電機塔筒倒塌的事故，當時主機廠技術主管直接認為就是螺栓預緊力矩打得過小了，但是最后調查得出的結論是預緊力過大造成的，如下圖所示：
預緊力BJ < 預緊力 FK，兩種情況下工作外力CD=GH，相等，那么螺栓受到的拉力CL<GM。因此，在這種情況下，螺栓斷裂是預緊力過大造成的。但是這也要具體問題具體分析，曾經有個丹麥的風機倒塔，那個根據螺栓斷口觀察以及端口的殘余應力檢測發現是疲勞破壞，在那種情況下，通過VDI21230分析，結論是預緊力過小導致，與這種失效原因恰恰相反。
所以說螺栓的預緊力非常有講究，螺栓連接不僅僅是生產高質量的螺栓，更重要的是怎么高質量地使用螺栓，也就是說預緊力一定要進行計算才可以。正如一個企業招聘到一個高水平的技術專家或管理專家，這很重要，但是更重要的是企業怎么去用人才。千里馬可貴，更可貴的是伯樂。那么如何合理地利用螺栓呢，這就是要精確地進行螺栓連接預緊力的計算，這部分內容需要根據VDI2230詳細分析。
展開 將軟件與標準規范結合，顯著提高計算效率
國際成熟標準規范軟件，加速評估計算過程
在研發類技術標準規范上，國外有很多發展并應用了十幾年的標準，例如德國機械工程研究委員會在1994年即發布第一版的用于強度評估的FKM標準，德國工程師協會負責組織編寫的用于高強度螺栓設計評估的VDI2230標準等。
歐洲國家機車、風電等大型標準化管理企業，在與供應商合作過程中，會要求供應商產品強度驗證過程中使用這些標準規范進行產品性能驗證，供應商需要通過滿足這些標準規范的的計算來驗證產品的部分性能指標。
近年來，隨著國際合作交流增強，國內眾多行業（例如機車、風電等）近年來都開始引入FKM及VDI2230標準規范進行產品強度及高強度螺栓的設計評估工作。基于FKM規范開發的FKM inside ANSYS軟件以及基于VDI2230規范開發的Bolt Assessment inside ANSYS軟件實現了標準規范軟件化應用，與國際通用大型仿真軟件ANSYS集成在一起，提升技術標準規范的易用性，同時也比手動計算顯著提高計算效率，在歐洲各領域得到了大范圍的應用，近兩年來國內企業用戶也在快速增長。
左圖：FKM inside ANSYS焊縫評估/右圖：螺栓評估
標準規范軟件化封裝是產品研發平臺化重要一環
如果說有哪種策略可以讓研發項目的質量、成本和進度三個方面同時得到提高，那就是平臺化開發，產品研發平臺化指的的是由一系列產品研發的共用工具、核心應用組件及技術平臺組成，是整個系列產品所采用的共同要素集合，包括共用的系統架構、子系統、模塊/組件、關鍵技術等。
展開 改善螺紋孔螺栓連接面壓分布及變形的方法
這符合VDI2230中描述的“變形體”理論，設計沉孔實際上就是將變形體的起點移動到遠離接合面的位置。這使得“變形體”在接合面上的截面積增加了。因此，面壓和變形均得到了改善。
推薦沉孔的深度為0.3d1~1d1，沉孔直徑為1.2d1~1.5d1 ，并且應該根據具體情況靈活調整。
參考文獻：
[1] 楊連生，內燃機設計[M]. 北京：中國農業機械出版社，1981
[2] VDI 2230-2015 Systematic calculation of highly stressed bolted joints
VDI2230螺栓扭矩值指的是許用扭矩嗎?
標準中R13步驟中有個計算的扭矩，想問下是許用扭矩還是什么扭矩 帶入里面計算的是許用預緊力
