vdi2230螺栓計算校核的案例
基于VDI2230的螺栓校核工具
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。
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二、齒輪箱螺栓采用工業軟件計算結果
圖片來自網絡版權歸原作者
除了有限元方法，還有一些工業軟件能夠部分對簡單結構和簡單工況下的螺栓連接進行計算。
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
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問題：
VDI2230關于螺栓的計算中對于螺栓載荷的提取沒有過多的涉及，本文針對偏心載荷的提取問題進行簡單說明。
VDI2230中，對于載荷偏心距a的定義如下，虛擬軸線到截面彎矩為0的點之間的距離。
對于實際螺栓連接問題，幾何結構和載荷狀態復雜多變，使用經驗公式估計并不理想。本文介紹使用有限元仿真的方法確定載荷偏心距離。
示例：
以VDI2230中的案例5為例進行對比計算，依據案例5的幾何信息創建仿真模型。
約束筒體底面，在內表面施加20Mpa壓力載荷，同時給螺栓施加約150KN的預緊力（加不加結果變化不大），連接面設定為摩擦面。
將兩個側面設定為，frictionless Support，等效對稱邊界。（這里沒有使用圓周循環對稱邊界，是因為圓周對稱邊界不能支持截面彎矩提取）
注意，在輸出控制中 打開“Nodal Forces”，用于端蓋截面的彎矩提取。
計算完成后，在結果提取中，插入Probe——Moment Reaction——使用surface類型進行端蓋截面彎矩載荷的提取，這里只需要關注X軸彎矩。
依次變更截面位置，就可以獲得一條彎矩隨位置變化的曲線，讀取彎矩為0位置的距離值，再進一步處理加上螺栓偏心距Ssym，就可以換算到載荷偏心距a。
個人認為仿真結果17.535，除了在循環對稱設置上與案例給出條件不同外，其余均能反應案例邊界。
補充案例：
以機械設計手冊兩端固支梁，在均布載荷下的反彎點計算模型為例進行驗證。
仿真結果
公式計算值42.2mm，仿真結果42.23mm。
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