基于VDI2230的螺栓校核工具

安小龙

安世亚太仿真业务部

 

高强度螺栓连接已经广泛应用于建筑、桥梁、轨道交通、风电等各行各业。国内早已有相关技术标准对高强度螺栓进行校核，大多数是基于《机械设计手册》进行评估，但是其评估方法具有一定的局限性，会带来一系列问题。目前，国内外对高强度螺栓的评估，更精确的方式是基于《VDI 2230规范》。

 

VDI 2230是由德国机械工程师协会在1986年首次制定，经历了30多年的实践，为螺栓连接校核提供了系统性的参考。

 

图 VDI 2230规范

 

该规范分为Part 1与Part 2两个部分，其中大部分内容在Part 1中，主要介绍了对单螺栓问题的评估流程与细节，从理论上阐述了力、力矩以及变形之间的关系；Part 2部分是针对多螺栓问题进行的补充。VDI 2230规范既能通过理论公式、经验公式等校核单个同心或偏心的夹紧/加载螺栓，也可以实现多螺栓系统的评估。但在这种方式中，如若纯依靠人工手动计算，有些参数很难给出，并且用户经常需要做出额外的假设，会导致有较高的安全系数，设计的域度过大。

图 VDI 2230规范计算流程

 

为解决此问题，德国CADFEM公司基于VDI 2230规范和有限元方法，开发了高效的螺栓评估工具Bolt Assessment inside ANSYS。使用该软件求解过程中，有限元计算结果和用户自定义的参数可传递给后台求解器，求解器基于此数据可计算出不同阶段、不同方面的安全因子，并基于ANSYS Workbench强大、易用的后处理，允许用户快速识别出关键螺栓。求解完成后，软件将自动保存计算报告，报告中包含了所有的设计参数、计算过程数据、结果数据等，方便用户的查询与检查。

 

图 Bolt Assessment inside ANSYS工作流程

 

Bolt Assessment inside ANSYS软件功能介绍

1、GUI

 

 

图 Bolt Assessment inside ANSYS交互界面

 

2、当前版本的功能

 

软件可基于VDI 2230规范自动计算单螺栓或多个螺栓的安全因子，并将结果直接展现在GUI中：

 

• Overall：所有安全因子中的最小值

• SF：抗屈服安全因子

• SD：抗疲劳失效安全因子

• SP：抗表面压溃安全因子

• SG：抗滑移安全因子

• SAE：抗螺纹失效安全因子

 

其他结果：

• 装配状态下的等效应力

• 装配状态下的材料利用率

• 最小旋合长度

• 软件支持的其他功能：

• 多载荷步的评估

• 多载荷步之间的疲劳失效评估

• 支持基于VDI 2230 Part2中的Model class II（梁）与Model class III（实体）

• 预紧力的施加可支持PRETS179单元和MPC184单元（支持大旋转）

   

输出计算报告：

图 Bolt Assessment inside ANSYS计算报告

 

3、模型处理

 

在整个连接系统的模型处理中，被夹紧件可按照实际情况建模、简化，需要重点关注的是螺栓的建模方式，目前版本支持梁单元（Model class II）与实体单元（Model class III）的螺栓建模。

 

3.1 梁单元

 

梁单元的建模又分为两种情况：

• 等截面梁模型，仅包含一条等截面的梁

• 变截面梁模型，多段不等截面的梁

图梁单元螺栓

 

在Bolt Assessment inside ANSYS中可自动创建等截面梁模型，并自动与被夹紧件建立连接关系，支持Joint连接与绑定接触。

 

图 等截面梁建模方式

 

3.2 实体单元

 

实体螺栓模型的建立需要保证螺栓的上下表面与螺栓轴线垂直。螺栓模型中不包括螺纹部分，而是将螺纹部分通过小径代替，如下图所示：

图 实体螺栓等效模型

 

4、螺栓载荷设置

 

预紧力、嵌入以及外载荷均可通过“预紧历史”管理，通过设置不同工况组合，可设置多载荷之间的循环进行疲劳安全因子的评估。

 

图 预紧历史界面

 

Bolt Assessment inside ANSYS优势

 

1、Bolt Assessment inside ANSYS具有极高的计算效率，设定参数后数十秒完成计算，极大地减小了VDI2230 part1手动计算的繁琐。

 

2、Bolt Assessment inside ANSYS计算可靠，准确，避免VDI2230 part1手动计算可能造成的人为计算错误，同时Bolt Assessment inside ANSYS会将每个步骤过程和计算结果输出到计算报告中，帮助用户完成最终的分析报告。

 

3、Bolt Assessment inside ANSYS结合了有限元和螺栓规范VDI2230各自的优点，能够克服常规有限元分析不能可靠的评估螺栓强度和安全系数的缺点，同时又能够自动获取基于VDI2230规范手动计算难以获得的参数，如：

 

• 多螺栓系统中各螺栓载荷分配数值，可以基于螺栓非线性接触，Bolt Assessment inside ANSYS自动提取

• 螺栓连接的柔度计算，及螺栓、被夹紧件变形情况，导致的圆锥体角度不恒定

• 极限直径DA,Gr的取值，Bolt Assessment inside ANSYS可以自动获取

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