VDI_2230高强度螺栓连接的系统计算实例.pdf

设备设计/诊断维修/再制造现代制造工程(ModernManufacturingEngineering)2011年第5期采用VDI2230的风力发电机组塔筒法兰联接处螺栓强度分析*陈真,杜静,何玉林,刘卫,冯博(重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆400044)摘要:针对风力发电机组塔筒法兰联接处螺栓轴线与法兰横向对称中心线不一致,且螺栓所受外载荷为偏心载荷的问题,基于VDI2230螺栓联接理论对法兰联接处螺栓进行理论分析,计算出实际工况下螺栓螺纹处的等效应力,采用有限元理论对法兰联接处螺栓在MSC.Marc/Mentat环境中进行接触强度分析,有限元结果与理论计算结果基本吻合。

研究为螺栓联接强度分析提供了新的思路。

关键词:螺栓;VDI2230螺栓联接理论;风力发电机;有限元中图分类号:TM614 文献标志码:A 文章编号:1671 3133(2011)05 0125 05 StrengthanalysisofboltjointonwindturbinetowerflangebasedonVDI2230 CHENZhen,DUJing,HEYu lin,LIUWe,iFENGBo (TheStateKeyLaboratoryofMechanicalTransmission,ChongqingUniversity,Chongqing4 00044,China)Abstract:Fortowerflangeandboltjointofwindturbine,theaxisofboltisinconsistentwiththeho rizontalsymmetryaxisofflange.Theboltofflangesufferedeccentricload.Thetheoreticalanal ysisofsuchcasewascarriedoutreferringtothetheoryofVDI2230.Equivalentstressunderactu alconditionwasobtained.Onbaseoffiniteelementtheorycontactstrengthanalysisofflangean dboltswereconductedinMSC.Marc/Mentat.Theresultoffiniteelementanalysisisapproxima telyagreeablewiththetheoreticalresult.Providesanovelapproachforstrengthanalysisofbolt. Keywords:VDI2230;boltjoint;windturbine;finiteelement0 引言塔筒法兰联接处螺栓作为风力发电机组重要的联接件,其联接的可靠性决定着整个风力发电机组的整体可靠性,传统螺栓联接强度理论只对螺栓组联接受轴向载荷或受倾覆力矩的情况进行了简单分析[1]论在MSC.Marc/Mentat环境中进行螺栓接触强度分析,为螺栓联接设计提供新的理论依据。

基于VDI2230标准车钩连接螺栓强度分析摘要：地铁车钩安装用螺栓是车钩钩缓与车体连接的关键部件，该处螺栓属于高强度螺栓，应用有限元分析软件ANSYS，根据螺栓实际运行工况，采用实体建模法，对某地铁车钩安装座连接螺栓进行接触非线性分析，得出螺栓轴向最大拉力，然后基于VDI2230标准对螺栓进行强度校核，对车钩安装用螺栓的选用和校核具有指导意义。

关键词：高强度螺栓；有限元分析；VDI2230标准；校核0 前言：地铁车辆与车辆之间通过车钩缓连接，车钩缓通过采用螺栓连接的方式与车体底架上的车钩安装座连接，如图1所示。

车钩缓安装是否可靠直接关系到地铁能否安全运行。

为确保地铁可靠安全的运行，在实际设计中，需要对车钩安装用螺栓（图1中安装螺栓）进行强度校核，传统的螺栓强度校核以机械设计手册为校核标准，偏于保守，不能最大限度利用螺栓的承载能力[3]。

德国工程师协会（VDI）制定颁布的VDI2230高强度螺栓连接系统计算标准（以下简称“VDI2230标准”）被广泛认可。

VDI2230标准为设计螺栓连接提供了一种系统的计算方法，确保了其所设计的螺栓连接在功能和操作上都具备一定的可靠度，同时最大限度的利用螺栓的承载能力[1][4]。

本文利用有限元分析软件采用整体建模法对某地铁车钩安装用螺栓进行接触非线性分析，得出螺栓最大轴向拉力，然后基于VDI2230标准对螺栓进行强度校核，为地铁车钩安装用螺栓设计与选用提供参考。

某地铁车钩安装用螺栓参数见表1。

表1 某地铁车钩安装螺栓参数1、地铁车钩安装座用螺栓有限元分析本节将应用有限元软件ANSYS，对车钩安装用螺栓进行有限元分析。

螺栓有限元分析主要方法有真实建模法、无螺栓等效载荷法，螺栓耦合模拟法、螺栓混合建模法等，本次采用真实建模法对车钩安装用螺栓进行分析。

图1 全自动钩缓示意图1.1有限元前处理车钩缓装置零件数量极多，结构比较复杂，本文选取与车钩安装座连接部分作为研究对象，工程应用不同于基础研究，在进行有限元分析时，抓住主要的分析对象，对三维模型进行简化，不仅可以节省计算资源，而且可以获得准确的计算结果，满足工程应用。

VDI 2230计算例题讲解主要内容和目的本部分主要通过介绍VDI 2230中附录B 实例B1的计算过程让大家对VDI 2230的计算方法有初步的认识、了解VDI 2230计算的基本步骤和方法，然后演示一个商业软件对该例题的计算，给大家今后的应用提供一种思路和办法。

一、VDI 2230例题B11.1初始条件：图示螺栓连接作为一个中心受力连接的计算例题主要尺寸：液压缸内压力2max /5.5mmN p =。

承压面积2222245364/)2580(4/)(mmD D ASt Z =⋅-=⋅-=ππ。

轴向载荷kNA p F A 9.2445365.5max max=⨯=⋅=。

活塞是一个产生压力的零件，每小时300个工作冲程。

因此轴向载荷可以看作是一个动载荷。

由于螺栓还要有密封的作用，因而在不受载荷的情况下，还应该保持不少于NF KR 3min 10=，以保证安全。

活塞材料为16MnCr5，活塞杆材料为C45。

表面粗糙度mR Z μ16=。

连接扭紧时使用能够指示扭矩的扳手。

1.2计算步骤R0 初步确定螺栓公称直径，核算其适用范围 由表A7，对于集中作用的动载荷NF A 3max109.24⋅=及0=QF ，螺栓的直径可以按以下的步骤进行：表7A 确定螺栓的直径范围A 取NF25000=作为仅次于max A F 的最大比较载荷。

B2 对于集中作用的轴向动载荷，取最小装配预紧力NF M 40000min=。

C 用指示扭矩的扳手扭紧，取最大装配预紧力NF M 63000max=。

D 由表A7第2列，选择尺寸为M12的螺栓，其性能等级为12.9，为的是减小对活塞杆截面的削弱。

选择圆柱螺栓ISO4762－M12⨯60－12.9（GB 70.1-2000修改等同该标准）得到以下尺寸。

R1扭紧系数按采用的扭紧工具（显示扭矩的扳手），扭紧系数按表A8确定，对摩擦因数为B 级， 扭紧系数αA ＝1.7R2确定所需最小的夹紧力 这一连接是中心对称的（0=symS ，见P34，图5.1/5 b ）而且在中心加载（a ＝0，见P34，图5.1/5 a ）。

关于使用VDI2230进行螺栓校核的说明1.通用说明R1. 确定拧紧系数拧紧系数与拧紧方式相关，不同的拧紧方式对应的拧紧系数范围不同。

如果有试验值，则用试验值，如果没有试验值，则根据拧紧方式取VDI2230表A8中拧紧系数范围的中值。

R2.摩擦系数、受力界面数的确定摩擦系数与被连接件的材料、表面处理方式有关。

q f , q m 取值根据连接件的受力方式而定，做一个图例数据库，采用图例说明。

并联或串联R3. 连接类型的确定根据受力情况而定，做一个图例数据库，采用图例说明。

sv1R4. 预紧力损失量VDI2230表中数值是对应屈服强度90%利用率的预紧力的损失量，如果初始预紧力低于这个许用最大预紧力（F M <F Mzul ），预紧力损失量取预紧力的10%。

设计给定的10%。

R7. 屈服强度的利用系数，螺纹最小摩擦系数μGmin屈服强度利用系数v 应根据试验而定，目前根据VDI 标准取0.9作为比较值。

设计提供的预紧力与最大装配预紧力必须要小于F Mzul 。

螺纹最小摩擦系数μG min 由查表得到，如果有试验值，则取试验值。

R8. 确定工作应力如果初始设计给的预紧力合格，则公式（th max max V A n Mzul s F F F F ∆-+=ϕ）中F Mzul 用设计给的预紧力，否则计算终止，或者给设计提建议，采用R6中计算得到的最大装配预紧力，然后使用该预紧力校核。

R9. 确定交变应力F SAO 和F SAU 为计算的轴向载荷乘以螺栓轴向载荷系数。

R10. 确定表面压力F SA为螺栓的轴向载荷，应在F A的基础上乘以螺栓轴向载荷系数，若F A<0，则F SA取零。

F V为设计提供的预紧力。

R11.最小连接长度标准件不用校核，非标准件和螺钉需要校核。

R12.抗滑移安全系数抗滑移安全系数暂时按标准取1.2，如果取1.2不通过，则另外考虑。

2.非高强度螺栓VDI方法校核注意事项需要根据设计给出的预紧力的数值进行校核，不能完全照搬VDI标准中的参数，主要考虑到VDI是针对高强度螺栓建立的，预紧力是按照屈服强度90%利用率定的。

基于VDI2230标准的螺栓设计参数优化案例展示在上一次的案例分析中，我们通过一个简单的螺栓连接设计与可靠性验证的案例出发，掌握了MDESIGN BOLT模块的基本操作。

而这一次，我将会在之前的案例的基础之上，通过对螺栓连接设计进行优化，来了解与掌握更多的MDESIGN BOLT模块的功能。

一、案例回顾我们先简单回顾一下上一个案例的工况信息以及计算分析结果。

从计算结果可以看出：⑴初选出的螺栓的许可装配预紧力大于螺栓连接所需要的最大装配预紧力；⑵抗屈服安全系数S F=1.16＞1，满足抗屈服安全条件；⑶抗疲劳安全系数S D=18.44＞1.2，远远满足交变应力安全条件；⑷抗压溃安全系数S pMK=1.19＞1，S pBK=1.18＞1，满足表面压强安全条件；⑸现有啮合长度m vorh=18mm大于最小有效啮合长度mges=9.9mm，满足最小啮合条件；⑹依据工况所提供的装配工艺（扭矩扳手拧紧法），所需的拧紧扭矩为109.23N*M；综上，针对此案例，根据MDESIGN BOLT模块的计算结果判定，初选所确定的螺栓能够满足预定的设计要求，具有良好的可靠性。

在进行螺栓连接设计的时候，往往需要从两个方面考虑设计的合理性：一方面是设计的螺栓连接能够在已知的工况下完成预设的功能，即不发生失效，具有足够的可靠性；另一方面是设计的螺栓连接不存在过大的功能冗余，即不存在在强度、材料上的过度设计，进而达到降低重量或成本的目的。

在上一个推送中，我们验证了初选所确定的螺栓能够满足预定的设计要求，具有良好的可靠性，但是否会存在过大的功能冗余呢？从上图中我们可以发现，螺栓所能承受的最大装配预紧力（红线），相比于螺栓所需的最大装配预紧力（绿线），大了40%左右。

根据经验，这种情况下往往会存在过大的功能冗余，即可以使用公称直径更小或是强度等级更低的螺栓进行连接，依旧能够保证螺栓连接的可靠性。

二、修改螺栓的公称直径考虑到螺栓连接需要从活塞杆中扩孔，那么是否可以选用公称直径更小的螺栓，减小扩孔的孔径，进而减小对活塞杆的强度的削弱呢？通过MDESIGN BOLT模块，我们只需修改一个输入参数即可验证以上想法。

vdi 2230标准简介VDI 2230标准是德国机械工程师协会（VDI）发布的一项标准，名为“Systematic Calculation of High Duty Bolted Joints”，中文译为“高负荷螺栓连接的系统计算”。

该标准的目的是为了规范和统一高负荷螺栓连接的计算方法，以确保连接结构的安全和可靠性。

VDI 2230标准对于制造领域的工程师和设计师来说是非常重要的，因为螺栓连接是很常见的结构连接方式，尤其在高负荷环境下承受巨大的压力和应力时。

该标准的主要内容包括以下几个方面：1. 螺栓连接的力学理论和计算方法：该标准详细介绍了螺栓连接所受的力学原理，包括受力分析、应力和应变分布、摩擦力等。

它还介绍了不同类型螺栓连接（如预张力连接、摩擦型连接等）的计算方法，以及如何根据不同的连接条件选择合适的计算公式。

2. 螺栓连接的材料选择和参数：螺栓连接的选择和设计要考虑到连接结构所承受的力学负荷、温度、振动等环境条件。

该标准对于不同材料（如钢、铝、塑料等）的螺栓和螺母的选用给出了建议，并介绍了螺栓连接中涉及的参数，如螺栓直径、螺距、预张力等。

3. 螺栓连接的设计和计算实例：标准提供了大量的连接实例和计算方法，以帮助工程师和设计师更好地理解和应用螺栓连接的计算方法。

这些实例涵盖了不同类型和形状的结构连接，如梁连接、板连接、环形连接等，并提供了详细的计算步骤和计算公式。

4. 螺栓连接的安全和可靠性评估：标准强调了连接结构的安全性和可靠性评估的重要性。

它介绍了各种可能导致连接失效的因素，如材料疲劳、应力集中、松动等，并提出了相关的预防和修复方法。

标准还介绍了一些标准中使用的安全系数，以确保连接结构在设计寿命内仍能保持安全性。

VDI 2230标准是一个非常有价值的参考文献，对于从事螺栓连接设计和计算的工程师和设计师来说特别有用。

它提供了详细的计算方法和实例，可以帮助工程师更准确地评估连接结构的安全性和可靠性，并提出相应的改进或优化建议。