2230
關(guān)注創(chuàng)建者：孫一凡仿真 創(chuàng)建時間：2021-10-31
2230的視頻教程
德國螺栓聯(lián)結(jié)設(shè)計計算學(xué)科VDI2230精講
VDI2230是德國工程師協(xié)會的經(jīng)典作品，是關(guān)于螺栓聯(lián)結(jié)設(shè)計計算的不二法門。本人--螺栓設(shè)計老張，自2007年從德國回國后，就歸納總結(jié)創(chuàng)立德國的三門學(xué)科并且一直在國內(nèi)不懈推廣：1、德國工程師協(xié)會的《VDI2230》；2、德國標(biāo)準(zhǔn)委員會的《DIN7190》；3、德國機械研究委員會的《機械零部件應(yīng)力強度分析評價導(dǎo)則-FKM》后續(xù)簡稱FKM。
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計算螺栓螺母連接強度的小工具——基于規(guī)范ISO/TR 16224-2012和VDI 2230編制而成
本視頻中所開發(fā)的計算小工具，是基于規(guī)范ISO/TR 16224-2012和VDI 2230編制而成，可以讓工程師快速校核螺栓螺母的連接強度，而不必要限于繁瑣的計算公式中。
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2230的實例教程
二、VDI 2230 不是標(biāo)準(zhǔn)而是設(shè)計導(dǎo)則
人類對螺栓的使用歷史悠久，早在古羅馬事情就有應(yīng)用。但對螺栓的受力研究最深入的還是德國工程師協(xié)會Verein Deutscher Ingeneur 的標(biāo)準(zhǔn) VDI2230。
VDI 2230 更確切地說不是標(biāo)準(zhǔn)而是設(shè)計導(dǎo)則。通俗來講，標(biāo)準(zhǔn)的作用類似于字典，使用者只需按圖索驥找到相應(yīng)的條目查詢即可，而設(shè)計導(dǎo)則更多地是原理的講解、公式的推導(dǎo)和方法的選用規(guī)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(dān)承受此外載荷，也就是說將承擔(dān)相同力學(xué)任務(wù)的一組按一定規(guī)則或者不規(guī)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(yīng)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(wù)，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(jù)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(xué)原理，而且把計算過程嚴(yán)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(yán)格遵守流程的絕佳體現(xiàn)。
三、VDI2230導(dǎo)則在實際工程的應(yīng)用解析
VDI 2230博大精深，后續(xù)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(dǎo)則在工程實際中的一個應(yīng)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 目前，國內(nèi)外對高強度螺栓的評估，更精確的方式是基于《VDI 2230規(guī)范》。
VDI 2230是由德國機械工程師協(xié)會在1986年首次制定，經(jīng)歷了30多年的實踐，為螺栓連接校核提供了系統(tǒng)性的參考。
圖 VDI 2230規(guī)范
該規(guī)范分為Part 1與Part 2兩個部分，其中大部分內(nèi)容在Part 1中，主要介紹了對單螺栓問題的評估流程與細節(jié)，從理論上闡述了力、力矩以及變形之間的關(guān)系；Part 2部分是針對多螺栓問題進行的補充。VDI 2230規(guī)范既能通過理論公式、經(jīng)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(xiàn)多螺栓系統(tǒng)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(shù)很難給出，并且用戶經(jīng)常需要做出額外的假設(shè)，會導(dǎo)致有較高的安全系數(shù)，設(shè)計的域度過大。
圖 VDI 2230規(guī)范計算流程
為解決此問題，德國CADFEM公司基于VDI 2230規(guī)范和有限元方法，開發(fā)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(jié)果和用戶自定義的參數(shù)可傳遞給后臺求解器，求解器基于此數(shù)據(jù)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(guān)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(shè)計參數(shù)、計算過程數(shù)據(jù)、結(jié)果數(shù)據(jù)等，方便用戶的查詢與檢查。
展開 所有適用于計算螺栓的工業(yè)軟件都是基于德國工程師協(xié)會的螺栓設(shè)計計算學(xué)科VDI2230開發(fā)的。
但是現(xiàn)有的工業(yè)軟件依然無法取代工程師的分析和理論計算。工業(yè)軟件只能對及其簡單的結(jié)構(gòu)和非常簡單的工況下螺栓連接進行計算。例如：采用現(xiàn)有的工業(yè)軟件計算，螺栓的規(guī)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(yè)軟件無法直接求取螺栓規(guī)格和等級等信息。采用工業(yè)軟件計算，載荷引入點系數(shù)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(yè)軟件，被夾緊件的幾何參數(shù)，如DA和DA‘很多情況下是不同的數(shù)值，這個是根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)，根據(jù)經(jīng)驗來取值。而工業(yè)軟件無法區(qū)分各種不同的結(jié)構(gòu)。
三、齒輪箱螺栓采用VDI2230理論計算結(jié)果
如下圖為高鐵鼓形齒聯(lián)軸器法蘭聯(lián)接螺栓。
經(jīng)過計算，得到結(jié)果如下：
或者說是螺紋牙抗剪切的
安全系數(shù)為1.25
擰緊力矩需要65 Nm.
可見，采用VDI2230計算，邏輯清晰，結(jié)果完整，可靠性高。
四、三種計算結(jié)果的差異匯總
圖片來自網(wǎng)絡(luò)，版權(quán)歸原作者
VDI2230計算：成本低，結(jié)果一致性高。邏輯性強，可以實驗所有安全系數(shù)和預(yù)緊力矩的全部計算。適用于范圍廣，可以適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)或復(fù)雜工況。既能通過計算獲得的應(yīng)力，也能對應(yīng)力結(jié)果進行評價。
下載地址：VDI2230-1
展開 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(tǒng)計算高應(yīng)力連接螺栓評估規(guī)范》形成的螺栓建模、關(guān)鍵參數(shù)分析和計算、螺栓評估工具。VDI2230規(guī)范既能通過理論和經(jīng)驗公式、數(shù)據(jù)來評價單個同心或偏心夾緊圓柱螺栓接頭，也可實現(xiàn)多個系統(tǒng)的計算螺栓連接。但在這種方式中，有些參數(shù)很難評估給出，并且用戶經(jīng)常做額外的假設(shè)，會導(dǎo)致有較高的安全系數(shù)，設(shè)計的域度過大。為了更好地計算螺栓的荷載并能夠更準(zhǔn)確的評估，安世中德開發(fā)了螺栓VDI2230設(shè)計分析工具。
Bolt Assessment inside ANSYS在有限元仿真分析計算方法的基礎(chǔ)上，提出了一種合理的方法和指標(biāo)，使用戶能基于VDI 2230利用有限元仿真結(jié)果評估螺栓。螺栓的重要參數(shù)，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(shù)可傳遞給螺栓設(shè)計計算模塊-Kisssoft，計算出不同階段下的校核解，這些計算結(jié)果可直接顯示在ANSYS界面上，并允許用戶快速識別出關(guān)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(jié)果。
Bolt Assessment inside ANSYS集成于ANSYS，提供了高效可靠的螺栓建模、關(guān)鍵參數(shù)分析和計算、螺栓評估功能，為高強度螺栓設(shè)計和分析提供了非常專業(yè)的仿真與設(shè)計結(jié)合的解決方案。
2.
展開 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(xiàn)，
1. 自動循環(huán)移動截面位置，提取X軸彎矩數(shù)據(jù)；
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(jié)果;
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問題：
在學(xué)習(xí)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(yù)緊力計算，但是公式較為復(fù)雜不便理解，尤其是關(guān)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(xué)習(xí)過程中，關(guān)于螺栓預(yù)緊力的計算主要參考了無彎矩的計算形式。
VDI2230關(guān)于被夾緊件柔度的計算分了多種不同的形式。在應(yīng)用過程中，嚴(yán)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。
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。
問題：
VDI2230關(guān)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(jié)構(gòu)和載荷狀態(tài)復(fù)雜多變，使用經(jīng)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。
背景：
在學(xué)習(xí)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(zhǔn)確性與機械設(shè)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(shè)計手冊中關(guān)于“扇形圓環(huán)” 慣性矩的公式：
設(shè)計手冊中關(guān)于Ix特指穿過截面重心“S”的xx軸慣性矩。
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