螺栓校核的案例
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。
展開 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。
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高強螺栓結構應力與疲勞校核分析報告.zip
高強螺栓的疲勞分析校核。應用WB自帶的疲勞分析模塊，對螺栓進行應力分析和疲勞校核。
特點：疲勞分析模塊的應用；螺栓預緊力；對稱，多載荷步；接觸非線性。
由于涉及企業隱私，和單位法規的規定，隱去報告中含有隱私的 部分，望大家見諒和理解，歡迎大家討論，共同進步。
WB13.0螺栓疲勞校核
高強螺栓結構應力與疲勞校核分析報告.zip
高強螺栓的疲勞分析校核。應用WB自帶的疲勞分析模塊，對螺栓進行應力分析和疲勞校核。
特點：疲勞分析模塊的應用；螺栓預緊力；對稱，多載荷步；接觸非線性。
由于涉及企業隱私，和單位法規的規定，隱去報告中含有隱私的 部分，望大家見諒和理解，歡迎大家討論，共同進步。
CAE工程分析 | 螺紋連接：從現象出發2
▍01 前言
上一篇文章就螺紋處受力特點以及螺栓預緊效果等內容進行了簡單了解，但是螺栓在使用時會受到各種工作載荷作用，并且由于預緊力的存在以及具體應用的特點，其校核內容與一般零件有一定區別。
有些伙伴可能會想，螺栓的校核體系在很多行業規范中已經相當完善，直接按照手冊規范上的流程計算不就可以了么？
其實按照個人了解來看，螺栓校核體系目前還是存在頗多難以處理的問題。
首先，螺栓校核涉及到的諸多變量在工作中呈現明顯非線性變化，如連接剛度，接觸界面，接觸壓力等，然而這種變化在手冊中較難考慮
其次，復雜工況下螺栓的變形模式也不能單純的按照拉剪彎扭來處理，就算按照復合載荷來計算，也會發現一些計算參數難以處理，只能采用非常保守的方式進行考慮
另外，螺栓松動算是行業痛點，雖然現在從校核和使用上已有很多方法“避免”該問題的出現，但是貌似該問題在很多行業依舊存在
最后，還未考慮實際安裝使用和理論計算中參數的偏差，比如預緊力不足，裝配傾斜等不規范問題，而這對于螺栓的校核至關重要，也不能生搬硬套
當然，個人沒有能力去解決這些問題，文章目的僅僅是現階段對螺栓校核的認識，希望大家有選擇性地借鑒。
本文主要對螺栓在典型載荷下的一些關鍵現象進行簡單的敘述，為了更加形象地說明問題，文中主要現象是通過構造有限元分析模型觀察得到。
▍02 軸向載荷作用
軸向載荷是螺栓最為常見的作用工況之一，因此文章從軸向載荷開始就螺栓連接體系的相關現象進行說明：
如上圖所示，構造了以承受軸向力為主的螺栓連接模型，為了更加清晰的看到內力的變化，被連接件使用鋁合金類屬性，螺栓使用合金鋼類屬性，并且為了避免被連接件剛度對內力分配的影響，用于施加約束和載荷的耦合單元盡量靠近螺栓和被連接件的接觸面。
首先，施加螺栓預緊力。
展開 Workbench螺栓失效與校核技術 ￥10
<p><strong>模擬方法：</strong></p><p>?1，不建立幾何，通過支反力校核</p><p>?2，建立螺栓關系，采用Beam Connection施加預緊力</p><p>?3，建立線體，施加預緊力</p><p>?4，建立螺栓實體，不考慮螺紋，施加預緊力</p><p>?5，建立螺栓實體，考慮等效螺紋效應</p><p>?6，建立螺紋特征，進行精細分析</p><p><img src="http://www.yqgqt.org.cn/platform/static/ueditor/themes/default/images/spacer.gif"></p><div contenteditable="false" width="100%">
<img title="1.png" style="max-width:760px;" alt="1.png" src="https://img.jishulink.com/upload/201910/2113b23bba714682a92e65ae2e7ec331.png" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/201910/2113b23bba714682a92e65ae2e7ec331.png?image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_400" data-pc-src="https://img.jishulink.com/upload/201910/2113b23bba714682a92e65ae2e7ec331.png?
展開 ABAQUS螺栓仿真建模方法
螺栓校核是工程計算中較為重要的環節，有限元模擬為螺栓校核的計算提供了更高效便捷的方法。ABAQUS作為強大的非線性有限元分析工具，能夠進行多種方式的螺栓建模計算，獲取更加準確可靠的結果。
Abaqus來進行螺栓連接的校核計算時，通常采用以下兩種計算方式：
（1）采用實體單元建模，見下圖。螺栓與連接板、連接板與連接板之間定義接觸，根據工程需要，在螺栓中間加預緊力。該方法的計算出來的結果一般來說比較準確，但建模較為復雜，計算量大，尤其對于螺栓連接比較多的情況，需要進行大量接觸對的定義，模型處理時間與計算成本較大。
圖1 螺栓實體建模
（2）采用梁單元建模，見下圖。梁單元的兩端點分別于兩端的連接板通過coupling或mpc進行連接，不需要定義接觸。這種情況下，螺栓主要承受的是外部的軸向拉伸或主要承受的是橫向剪切力。這兩種受力情況，螺栓都不需要承受預緊力，連接板的外力不是由連接板之間的摩擦力來克服的，而是由螺栓本身來克服。
這種的建模方式在即受預緊力F'又受軸向載荷F時，可以正確求出螺栓受力的邊界條件，即得出梁單元的軸向力和橫向剪切力。得到軸向力和橫向剪切力后，就可以應用《機械設計手冊》中的公式，計算出相應螺栓的應力。對于螺栓較多的情況，可以人工選擇受力較大的螺栓進行單獨校核，也可以通過python程序進行批處理計算。
圖2 螺栓梁單元建模校核
Abaqus中，螺栓的軸向力可有SF1得到，橫向剪切力可由兩個分力SF2和SF3合成得到。
展開 基于SimSolid的壓縮機支架螺栓預緊強度校核
螺栓預緊.rar
CAE工程分析 | 螺紋連接：仿真分析簡化3
但是，最近梳理螺紋連接相關知識時，卻發現好像并不是如此，或者說，使用實體單元對螺栓進行分析時，確實會遇到頗多問題
01、引例說明
如圖所示法蘭結構，螺栓M10，等級8.8，現在需要模擬其在受到軸向載荷F和扭轉載荷M作用下螺栓及法蘭的應力分布以用于強度校核，螺栓預緊力P
不考慮螺紋細節，螺母與螺栓之間在對應位置使用綁定接觸連接；螺栓頭部-被連接件，螺母端部-被連接件，被連接件之間均使用常規摩擦接觸
第一步，通過預緊單元施加螺栓預緊力
第二步，鎖定預緊力并施加集中力/力矩
通常，上述過程被認為是使用實體單元模擬螺栓進行計算的標準流程
按照這一流程，我們對結構進行有限元分析，并提取剖面應力分布
根據云圖標識結果，螺栓最大局部米塞斯應力為611MPa，位于螺栓頭部下端，小于材料的屈服強度640MPa，因此螺栓在給定工況下安全，安全系數為611/640=1.05
02、案例思考
上述校核過程看起來好像并沒什么不妥，按照強度準則結構應力≤許用應力，每一步都非常合理，但僅僅這樣就給出校核結果過于草率
在文章中，根據螺栓可能的失效模式，給出了以下幾部分需要校核的內容
①螺栓預緊時光桿應力＜材料屈服強度
②螺栓加載時光桿應力＜材料屈服強度
③被連接件夾緊壓力＞密封壓力
展開 螺紋連接強度計算快速入門
一：螺紋連接的類別
01 螺栓連接；螺柱連接；螺釘連接。
二：螺紋連接強度計算
01 工況類別
02 抗剪
03 抗扭
04 抗拉
05 抗彎（抗翻轉）
06 單個鉸制孔螺栓強度校核（橫向荷載）
07 單個普通螺栓強度校核
螺紋連接:仿真分析簡化
但問題在于，有限元計算直接提取的最大應力往往是集中應力，也就是說，圖中606MPa并不能直接用干螺栓校核，相對的，應該取光桿表面應力450MPa作為校核應力更加合理
被連接件夾緊壓力 >密封壓力
這一部分校核使用有限元校核確實相對容易許多，因為能夠直接提取各個接觸面之間的接觸壓力，并且能夠觀察到接觸面的壓力分布情況對螺栓的連接狀況進行判斷
螺栓應力幅<螺栓拉伸疲勞極限
前文也說明過，對螺栓疲勞性能影響最大首先是應力幅，然后是局部細節特征，因此對螺栓進行疲勞校核時，可以使用加載前后螺栓桿處的應力幅，比如上圖中加載后相比于預緊時，表面應力只變化了1MPa，也就是使用該值作為應力幅與螺栓疲勞極限進行對比(大部分載荷波動在被連接件中，這也表明預緊的重要性)
螺栓最大拉應力<材料抗拉極限
這部分可能會有伙伴納悶，需要最大拉應力<屈服強度，那不是必然<抗拉強度?
展開 螺栓設計評估分析解決方案
（5）螺栓計算工具包將VDI2230螺栓計算準則與ANSYSWorkbench軟件結合，使用戶定性的評估大量的螺栓，同時適用于復雜的裝配結構。
（6）基于該工具包進行螺栓計算，可直接利用有限元模型中的幾何信息及計算結果，省去中間一些繁瑣的計算過程，快速準確的進行螺栓校核計算。
（7）螺栓計算工具包集成了KISSSoft螺栓數據庫數據，為螺栓的定義提供了標準值，可在計算中直接引用。
（8）螺栓計算工具包支持靜力及動力評估，方便進行多螺栓系統計算，識別關鍵螺栓。
（9）計算結果（安全因子）的可視化圖形顯示，快速識別關鍵連接部位。
（10）計算完成后，可針對每個螺栓輸出計算報告。
展開 螺栓設計評估分析解決方案
■ 螺栓計算工具包將VDI2230螺栓計算準則與ANSYS Workbench軟件結合，使用戶定性地評估大量的螺栓，同時適用于復雜的裝配結構。
■ 基于該工具包進行螺栓計算，可直接利用有限元模型中的幾何信息及計算結果，省去中間一些繁瑣的計算過程，快速準確地進行螺栓校核計算。
■ 螺栓計算工具包集成了KISSSoft螺栓數據庫數據，為螺栓的定義提供了標準值，可在計算中直接引用。
■ 螺栓計算工具包支持靜力及動力評估，方便進行多螺栓系統計算，識別關鍵螺栓。
■ 計算結果（安全因子）的可視化圖形顯示，快速識別關鍵連接部位。
■ 計算完成后，可針對每個螺栓輸出計算報告。
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展開 振動篩分機械動力學分析 附機械動力學第2版下載
（2）通過對振動軸承壽命進行校核，指出了振動軸承運行壽命與偏心配重成反向關系，并受軸承的工作游隙和軸承座的圓柱度的影響。
（3）通過對激振器螺栓的強度進行校核，說明對于振動設備而言，關鍵聯接部位螺栓的強度校核是必須的。
（4）通過對振動電動機啟動條件的核驗，指岀依靠潤滑脂潤滑的振動篩分機械受季節的變化影響是不可忽視的，必須加以重視。
以上工作為解決生產實際問題提供了支持。
下載地址：機械動力學第2版
