螺栓強度評估的案例
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(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的Ssym計算公式，及其驗算結(jié)果。
計算思路和推導過程如下：
展開 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：
對比施加螺栓預緊力載荷仿真模型，讀取被夾緊件的軸向應力結(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
展開 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緊螺栓的簡稱。在日常溝通中，僅僅是簡略了“摩擦（Friction）”“預緊（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：高強度摩擦預緊螺栓，英文簡稱：HSFG?？梢姡覀冎形氖┕ぶ兴f的高強度螺栓是高強度摩擦預緊螺栓的簡稱。在日常溝通中，僅僅是簡略了“摩擦（Friction）”“預緊（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)是是否施加預緊力，并利用靜摩擦力抗剪。
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【專業(yè)知識】高強度螺栓又叫高強度摩擦預緊螺栓，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緊螺栓的簡稱。在日常溝通中，僅僅是簡略了“摩擦（Friction）”“預緊（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FKM 規(guī)范的靜強度及疲勞強度評估解決方案
解決方案的優(yōu)勢
1、基于有限元分析結(jié)果，自動嵌入FKM規(guī)范要求的構(gòu)件或焊縫靜強度計算和疲勞強度計算的流程和方法，自動方便地將應力結(jié)果和相關(guān)物理量傳遞給工具包，采用名義應力和局部應力兩種方法，在ANSYS Workbench內(nèi)計算并顯示構(gòu)件或焊縫處基于FKM評估的靜強度和疲勞強度利用率結(jié)果。
2、基于ANSYS計算模型，支持多種方式的評估區(qū)域選擇。
3、自動加載有限元計算工況，在圖形用戶界面中可以任選評估的載荷工況，同時可以基于已有工況進行工況組合，支持對已有工況和組合工況的評估。
4、軟件能夠分析得到最不利荷載，對有限元網(wǎng)格的每一個節(jié)點組合、評估的結(jié)果利用率可以直觀地展現(xiàn)在ANSYS Workbench環(huán)境里。在WB下，工具包無須手動預先選擇評估的熱點區(qū)域，可以自動計算模型中的每個節(jié)點，實現(xiàn)評估結(jié)果的簡化可視化，從而允許工程師確定關(guān)鍵熱點區(qū)域，計算分析得到構(gòu)件或焊縫靜強度和疲勞強度利用率，從而能節(jié)省材料。
展開 螺栓受力計算評估
此貼為螺栓受力計算評估，基本為理論計算內(nèi)容，不算仿真。
螺栓資料：螺栓材料為不銹鋼304，總高度14.5mm。螺栓螺紋高度8.4mm,圈數(shù)12，故螺栓規(guī)格為M4X0.7mm。螺母材料為黃銅，鉚壓在工程塑料面板上。
螺母為黃銅，M4的標準扭矩為1.2+/-0.24N.m，選取最大值1.44N.m計算出的預緊力為1890N~2304N.
螺栓鎖入安裝面板的長度：插座法蘭厚度3.7mm, 量得螺栓鎖入安裝面板的長度為6.3mm, 螺紋圈數(shù)為9圈；我司現(xiàn)行設(shè)計法蘭厚度為5mm ，故螺栓鎖入安裝面板的長度為5mm,螺紋圈數(shù)為7圈；根據(jù)最大預緊力2300N，算足10圈都擰緊時，9圈螺紋的預緊力為2265N， 7圈螺紋時的預緊力為2176N。而在只擰緊9圈時或者只擰緊7圈時，因承受力量最大的基本是前6圈，所以，7國圈螺紋與9圈螺紋實質(zhì)能產(chǎn)生的預緊力是基本一樣的。
展開 螺栓設(shè)計評估分析解決方案
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編者按
Bolt Assessment inside ANSYS將VDI2230規(guī)范的過程與有限元計算進行了結(jié)合，提供了完整的螺栓計算分析功能，解決了螺栓VDI2230規(guī)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(tǒng)計算高應力連接螺栓評估規(guī)范形成的螺栓建模、關(guān)鍵參數(shù)分析和計算、螺栓評估模塊。
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(guī)范利用有限元仿真結(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，允許用戶快速識別出關(guān)鍵螺栓。
展開 螺栓設(shè)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(tǒng)計算高應力連接螺栓評估規(guī)范形成的螺栓建模、關(guān)鍵參數(shù)分析和計算、螺栓評估模塊。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(guī)范利用有限元仿真結(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，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ANSYSWB界面下，自動顯示出每個螺栓的計算結(jié)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(guī)范的過程與有限元計算進行了結(jié)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(jù)用戶選擇的螺栓實體，可自動識別關(guān)鍵幾何（承壓面）及幾何參數(shù)（公稱直徑及螺栓長度），并支持修改。
展開 關(guān)于結(jié)構(gòu)強度評估工具清單
1、程序為結(jié)構(gòu)強度評估提供了四個工具，即基于四個強度理論判斷結(jié)構(gòu)強度是否滿足設(shè)計需要。
這四個強度理論都是基于連續(xù)介質(zhì)理論，因此不能判斷結(jié)構(gòu)中存在裂紋情況的強度。
設(shè)計仿真 | 基于Marc非線性摩擦模型Hashiguchi評估螺栓松動的方法
螺栓松動背景和機理
螺紋緊固件由于其拆卸和維護非常容易且成本低的原因被廣泛應用于機械結(jié)構(gòu)中，通過使用帶有螺紋緊固件（螺栓桿）的螺栓進行預緊固，將零件或組件（如發(fā)動機支架、飛機面板等）連接在一起。
螺栓的剪切強度和預緊力產(chǎn)生的（壓縮）法向接觸力和摩擦力限制了螺栓連接件之間的相對運動。但由于機械振動、溫度載荷或制動和加速等時間變化載荷的作用，通過螺栓連接的組件通常會受到周期性載荷的影響。當這些外部力沿螺栓軸線的垂直方向作用時，由于螺栓預緊力和摩擦力的減小，螺栓可能會因自松動而旋轉(zhuǎn)。
Hashiguchi非線性摩擦模型介紹
Marc 2024.1引入了由Hashiguchi教授提出的一種新的非線性摩擦模型。使通過用該模型，用戶可以模擬不同類型的非線性摩擦行為。如下圖所示，與傳統(tǒng)的雙線性摩擦模型相比，該摩擦模型可以模擬漸進的非線性滑移行為和從靜摩擦到較低動態(tài)摩擦的平穩(wěn)過渡。此外，該模型還可以模擬物體在由靜態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)條件下的摩擦恢復效應。
圖1：Hashiguchi摩擦模型參數(shù)詳解圖
新模型由5個材料參數(shù)和2個附加參數(shù)定義，5個材料參數(shù)分別是：動靜摩擦系數(shù)、摩擦衰減系數(shù)、摩擦恢復系數(shù)、滑動平滑系數(shù)；2個附加參數(shù)分別是：最小滑移率，摩擦應力閾值。這些參數(shù)使模型能夠涵蓋從雙線性到完全非線性的廣泛摩擦特性，并能夠從彈性（可逆）滑移平滑過渡到塑性（永久）滑移。尤其試用于螺栓自松仿真分析。
圖2：Hashiguchi摩擦模型參數(shù)定義
螺栓松動計算案例
Junker試驗通常用于研究橫向振動載荷下螺栓接頭的自松現(xiàn)象。螺栓自松動仿真分析使用M10鋼制螺栓和螺母組件，將上安裝板推到螺栓頭上。
展開 
Prius2004電機轉(zhuǎn)子沖片強度評估 ￥1
故對永磁同步電機在高速離心力作用下的轉(zhuǎn)子沖片強度進行CAE評估顯得尤為必要。
以Prius2004款電機沖片模型為例，進行高速離心力下的轉(zhuǎn)子沖片強度及剛度性能評估。
仿真應用 | 基于Fatigue Tool應力疲勞強度評估
結(jié)論
Workbench自帶的Fatigue Tool能準確進行疲勞強度評估。
Fatigue Tool設(shè)置簡單，易學易用，但功能可能受限，因此ANSYS公司和HBM公司合作推出了ANSYS nCode DesignLife疲勞分析模塊，具有強大的疲勞分析能力。
文章來源于南京安世亞太，作者小刀
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(jié)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?shù)那?em>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(jié)果查看。由結(jié)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(xù)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(jié)構(gòu)的薄弱部位，更應該關(guān)心。
2）在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計時，我們更關(guān)心：給螺釘施加某一預緊力或者某一個范圍的預緊力時，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緊力及最小預緊力。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 Ansys workbench應力集中位置的靜強度評估對比
幾何模型如圖所示，楊氏模量2.1X1011pa，屈服強度355MPa，抗拉強度450MPa，斷后伸長率20%。左邊固定，右邊施加1000N垂直向下的力，計算材料的安全系數(shù)。
一、載荷約束如圖所示
二、通過軟件分析得到的應力收斂解為188.01MPa，安全系數(shù)n1=1.89。
三、使用名義應力法對倒角最大處求解名義應力
對應力最大位置獲取力矩為37000N*mm，慣性矩為810mm^4，形心距為3mm，抗彎截面系數(shù)為300 mm^3。即可獲得最大點處的名義應力為137MPa。安全系數(shù)為n2=355/137=2.6。
三、根據(jù)《德國FKM強度評估指南》
3.1、
3.8、FKM中材料利用率與安全系數(shù)互為倒數(shù)，n3=3.4
4、通過對三種分析結(jié)果判斷
n3 >n2>n1
3.4 >2.6 >1.89
FKM安全系數(shù)最大，收劍解安全系數(shù)最小。
展開 