ansys 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(jié)構(gòu)施工中最普遍常見的施工內(nèi)容，所有鋼結(jié)構(gòu)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(yù)緊螺栓，英文簡稱：HSFG?？梢?，我們中文施工中所說的高強度螺栓是高強度摩擦預(yù)緊螺栓的簡稱。在日常溝通中，僅僅是簡略了“摩擦（Friction）”“預(yù)緊（Grip）”兩個詞，卻造成了許多工程技術(shù)人員對高強度螺栓基本定義的理解，產(chǎn)生了誤區(qū)。
誤區(qū)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(qū)別并不在于使用材料的強度，而是受力的形式。本質(zhì)是是否施加預(yù)緊力，并利用靜摩擦力抗剪。（1）*
實際上在英標規(guī)范，美標規(guī)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(qū)別高強度螺栓與普通螺栓的關(guān)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(shè)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(shè)計工作狀態(tài)入手，研究其彈塑性變形的規(guī)律，并理解到設(shè)計破壞時的極限狀態(tài)。
展開 【專業(yè)知識】高強度螺栓又叫高強度摩擦預(yù)緊螺栓，這些你知道嗎？
高強度螺栓是鋼結(jié)構(gòu)施工中最普遍常見的施工內(nèi)容，所有鋼結(jié)構(gòu)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(yù)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(yù)緊螺栓的簡稱。在日常溝通中，僅僅是簡略了“摩擦（Friction）”“預(yù)緊（Grip）”兩個詞，卻造成了許多工程技術(shù)人員對高強度螺栓基本定義的理解，產(chǎn)生了誤區(qū)。
誤區(qū)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(qū)別并不在于使用材料的強度，而是受力的形式。本質(zhì)是是否施加預(yù)緊力，并利用靜摩擦力抗剪。
展開 【專業(yè)知識】高強度螺栓又叫高強度摩擦預(yù)緊螺栓，這些你知道嗎？
高強度螺栓是鋼結(jié)構(gòu)施工中最普遍常見的施工內(nèi)容，所有鋼結(jié)構(gòu)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(yù)緊螺栓，英文簡稱：HSFG?？梢?，我們中文施工中所說的高強度螺栓是高強度摩擦預(yù)緊螺栓的簡稱。在日常溝通中，僅僅是簡略了“摩擦（Friction）”“預(yù)緊（Grip）”兩個詞，卻造成了許多工程技術(shù)人員對高強度螺栓基本定義的理解，產(chǎn)生了誤區(qū)。
誤區(qū)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(qū)別并不在于使用材料的強度，而是受力的形式。本質(zhì)是是否施加預(yù)緊力，并利用靜摩擦力抗剪。
實際上在英標規(guī)范，美標規(guī)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(qū)別高強度螺栓與普通螺栓的關(guān)鍵。
誤區(qū)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(shè)計強度均低于普通螺栓。其高強實質(zhì)是：正常工作時，節(jié)點不允許發(fā)生任何相對滑移，即：彈塑性變形小，節(jié)點剛度大。
展開 基于Workbench的螺栓/螺釘預(yù)緊力仿真及螺栓強度校核的方法 ￥10
圖4
3、結(jié)果
提取螺釘螺紋部分的Equivalent（von-mises）stress應(yīng)力，可以看到，第一圈螺紋處應(yīng)力最大，約為447Mpa，一般情況下，我們會用該應(yīng)力與螺釘?shù)那?em>強度或者抗拉強度進行對比校核。
圖5 Equivalent（von-mises）stress應(yīng)力
本文提出另一種校核方法，即剪切應(yīng)變能學(xué)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(yīng)力，即Nomal stress，選取前面建立的局部坐標系，選擇Z軸進行結(jié)果查看。由結(jié)果可知，軸向應(yīng)力為519Mpa，小于561Mpa，螺釘強度滿足要求。
圖6 Nomal stress應(yīng)力
4、后續(xù)說明
主要介紹三點：
1）上述僅介紹了螺栓預(yù)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(yīng)力更大，該部分為整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，更應(yīng)該關(guān)心。
2）在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計時，我們更關(guān)心：給螺釘施加某一預(yù)緊力或者某一個范圍的預(yù)緊力時，螺釘即不會發(fā)生松動也不會發(fā)生破環(huán)。也就是得到螺釘?shù)淖畲箢A(yù)緊力及最小預(yù)緊力。該部分需要結(jié)合連接結(jié)構(gòu)件的材料特性、外載荷、振動、溫度環(huán)境等多種環(huán)境最終確定最適預(yù)緊力，后續(xù)可逐步介紹。其中螺栓、螺母的仿真與該部分內(nèi)容類似，這里不再介紹。
3）預(yù)緊力與工程扭矩如何換算，如有需要，后續(xù)也可進行介紹。
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(yīng)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(jié)構(gòu)、尺寸參數(shù)、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(shù)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(shù)多的厚螺母，并不能提高聯(lián)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(huán)槽螺母，其作用和懸置螺母相似。
圖1
02
避免或減小附加應(yīng)力
由于設(shè)計、制造或安裝上的疏忽，有可能使螺栓受到附加彎曲應(yīng)力（圖 2）， 這對螺栓疲勞強度的影響很大，應(yīng)設(shè)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(jié)構(gòu)，經(jīng)切削加工后可獲得平整的支承面（圖 3）。
圖2
圖3
03
減小應(yīng)力集中
螺紋的牙根、螺栓頭部與栓桿交接處，都有應(yīng)力集中，是產(chǎn)生斷裂的危險部位。其中螺紋牙根的應(yīng)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(shù)情況下，受拉螺栓聯(lián)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(jié)構(gòu)、尺寸參數(shù)、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(shù)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(shù)多的厚螺母，并不能提高聯(lián)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(huán)槽螺母，其作用和懸置螺母相似。
圖1
02
避免或減小附加應(yīng)力
由于設(shè)計、制造或安裝上的疏忽，有可能使螺栓受到附加彎曲應(yīng)力（圖 2）， 這對螺栓疲勞強度的影響很大，應(yīng)設(shè)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(jié)構(gòu)，經(jīng)切削加工后可獲得平整的支承面（圖 3）。
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(huán)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?？紤]常規(guī)使用環(huán)境可能經(jīng)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(wǎng)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(cè)施加于板面相垂直的均布荷載模擬風荷載。
6.計算結(jié)果
7.結(jié)論
鋼結(jié)構(gòu)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 高強度螺栓基礎(chǔ)知識，緊固方法
高強度螺栓是鋼結(jié)構(gòu)施工中最普遍常見的施工內(nèi)容，所有鋼結(jié)構(gòu)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(yù)緊螺栓，英文簡稱：HSFG?？梢?，我們中文施工中所說的高強度螺栓是高強度摩擦預(yù)緊螺栓的簡稱。在日常溝通中，僅僅是簡略了“摩擦（Friction）”“預(yù)緊（Grip）”兩個詞，卻造成了許多工程技術(shù)人員對高強度螺栓基本定義的理解，產(chǎn)生了誤區(qū)。
誤區(qū)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(qū)別并不在于使用材料的強度，而是受力的形式。本質(zhì)是是否施加預(yù)緊力，并利用靜摩擦力抗剪。
實際上在英標規(guī)范，美標規(guī)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(qū)別高強度螺栓與普通螺栓的關(guān)鍵。
誤區(qū)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(shè)計強度均低于普通螺栓。其高強實質(zhì)是：正常工作時，節(jié)點不允許發(fā)生任何相對滑移，即：彈塑性變形小，節(jié)點剛度大。
可見：在給定設(shè)計節(jié)點荷載的情況下，用高強度螺栓設(shè)計的節(jié)點并不一定能節(jié)省螺栓使用數(shù)量，但是其變形小，剛度大，安全儲備高。
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(yīng)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(yù)緊螺栓的強度校核
08 鉸制孔螺栓的強度校核
高強度螺栓的斷裂分析
高強度螺栓的斷裂分析
高強度螺栓基礎(chǔ)知識，緊固方法
高強度螺栓是鋼結(jié)構(gòu)施工中最普遍常見的施工內(nèi)容，所有鋼結(jié)構(gòu)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(yù)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(yù)緊螺栓的簡稱。在日常溝通中，僅僅是簡略了“摩擦（Friction）”“預(yù)緊（Grip）”兩個詞，卻造成了許多工程技術(shù)人員對高強度螺栓基本定義的理解，產(chǎn)生了誤區(qū)。
誤區(qū)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(qū)別并不在于使用材料的強度，而是受力的形式。本質(zhì)是是否施加預(yù)緊力，并利用靜摩擦力抗剪。
實際上在英標規(guī)范，美標規(guī)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(qū)別高強度螺栓與普通螺栓的關(guān)鍵。
誤區(qū)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(shè)計強度均低于普通螺栓。其高強實質(zhì)是：正常工作時，節(jié)點不允許發(fā)生任何相對滑移，即：彈塑性變形小，節(jié)點剛度大。
展開 
高強度螺栓疲勞壽命分析與設(shè)計改進
通過接觸狀態(tài)的比較研究, 可以進一步確定螺栓處于交變應(yīng)力狀態(tài)下。
螺栓疲勞 S-N 曲線與疲勞壽命計算
計算結(jié)果表明, 該風扇座環(huán)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(yīng)變的疲勞分析方法。同時, 螺栓為高預(yù)緊力的受力狀態(tài), 在采用應(yīng)變方法進行計算分析時, 需計入平均應(yīng)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(guī)范中規(guī)定了相關(guān)的 S-N 參數(shù)。
在 ASME標準中, 基于光軸試件的疲勞曲線設(shè)計是基于多項式函數(shù)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(yīng)力幅值, N 為設(shè)計的循環(huán)次數(shù)。式中 Ci 數(shù)值均可從標準中查得。
3.1.2 基于應(yīng)變疲勞的S-N曲線.
基于應(yīng)變疲勞的 S-N曲線計算公式為,
式中, Δε/2=εu為全應(yīng)變幅值, Δεe/2=Δσ/2E=σa/E為彈性應(yīng)變幅值, Δεp/2=Δε/2-Δεe/2為彈性應(yīng)變幅值, ε'f為疲勞持久系數(shù), c為疲勞持久指數(shù), σ'f為疲勞強度系數(shù), b為疲勞強度因子, E為彈性模量, Δσ/2=σa為應(yīng)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(yīng)變幅值, εf=ln (A0/Af) =ln[100/ (100-%RA) ], 真實的斷裂應(yīng)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(xué)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(guān)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(xué)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(guān)于變形錐和變形套筒的分割方式，在被夾緊件的螺栓兩側(cè)分別劃分出等效變形體。
下圖為一般多層夾緊件，螺栓兩側(cè)劃分出的等效變形體（紅色區(qū)域）（綠色區(qū)域為被夾緊件的幾何結(jié)構(gòu)）
其次，結(jié)合關(guān)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(cè)的變形體軸向剛度K1’ = K2’
這里先給出本人推導(dǎo)的Ssym計算公式，及其驗算結(jié)果。
計算思路和推導(dǎo)過程如下：
展開 基于多螺栓組合連接的預(yù)緊力支架強度仿真 ￥20
[圖片]
VDI2230進行螺栓強度評估,任意被夾緊件等效變形體的創(chuàng)建方法 ￥10
在應(yīng)用過程中，嚴格區(qū)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(shè)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(xiàn)。
但是，手冊也同時給出了一種解決任意復(fù)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(huán)分別進行計算。
本人在學(xué)習過程中，在任意被夾緊柔度計算方法的基礎(chǔ)上，進行了大膽且合理的變更。將螺栓兩側(cè)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(yù)緊力載荷仿真模型，讀取被夾緊件的軸向應(yīng)力結(jié)果：兩側(cè)不對稱變形體形態(tài)與仿真結(jié)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(xiàn)的主要關(guān)鍵內(nèi)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(huán)
? 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(shù)值，V、U、Lk、R1、R2等參數(shù)
? 每個單側(cè)被夾緊件，先求解R_Da Gr 和R_limit
? 根據(jù) U、R_Da Gr 、Rmax 和R_limit的關(guān)系分類五中不同形式。
? 程序計算時，不必區(qū)分五中形式，均按一般形式計算即可
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