作者 | 王慶豔仿真秀科普作者
首發 |仿真秀公眾號（ID:fangzhenxiu2018）
導讀：本文將分為上、中、下三篇。上篇簡要介紹了基於VDI2230規範Part1、Part2進行螺栓評估的步驟以及Bolt Assessment inside ANSYS的功能，中、下篇將分別從實例化的角度介紹螺栓設計評估的手動計算實例及軟體（Bolt Assessmentinside ANSYS）計算實例，同時對比VDI2230規範計算及軟體計算的區別，使相關人員對規範及軟體應用有一定程度的了解。
一、寫在前面
【螺栓評估準則】：VDI2230（高強度螺栓連接系統計算）規範是德國工程師協會負責編寫整理，包括Part1及Part2兩部分，是目前針對高強度螺栓連接計算的公認標準，從理論上闡述了力、力矩以及變形之間的關係，目前已有超過40年的實際應用。
其中Part1主要針對單螺栓問題，Part2針對Part1中很難確定的多螺栓的載荷分布及應力問題，提出了針對多螺栓（MBJ）分析計算的方法（剛體力學，彈性力學），同時引入有限元法，介紹了針對螺栓連接的數字法應用。
1、適用範圍：
鋼製螺栓；
60º牙型角螺紋；
高強度螺栓（8.8~12.9級或70和80級）；
尺寸範圍從M4-M39；
有限範圍的接觸區域（尺寸G）；
相關材料性能（A1-A4、A6、A7、A9、A11和A12）僅在環境溫度下適用。
2、假設條件：
無極端應力（如腐蝕、衝擊等）；
手動計算假設橫截面始終保持為平面。
【螺栓評估工具】：Bolt Assessment inside ANSYS是基於VDI2320規範和有限元法的螺栓評估工具，在ANSYS軟體WB界面下開發，解決工程師單純依靠規範人工手動計算時，有些參數無法直接給出，多螺栓評估困難，計算複雜容易出錯，計算步驟多效率低下以及計算結果可視化等問題。
二、VDI2230規範概述
螺栓連接可以分為單螺栓連接和多螺栓連接，VDI2230 part1適用於評估單螺栓連接。因此針對多螺栓（MBJ）問題，需要確定最高承載螺栓，並將其從整體模型中分離出來。
基於VDI2230規範Part1進行單螺栓裝配評估可以大致分為三個階段，分別是初步計算、夾緊以及加載階段，採用以下14個步驟（R0-R13）進行：
VDI 2230（2014版，Beuth Verlag）的part2進一步解釋了多螺栓連接的系統計算。除分析計算方法外，本部分還提出了VDI2230part1中使用有限元模擬結果進行螺栓評估的適用方法。
詳細計算步驟請參見VDI 2230 Part1及Part2規範詳細講解。
三、Bolt Assessment inside ANSYS軟體介紹
Bolt Assessment inside ANSYS是在ANSYS軟體WB界面下，基於德國VDI 2230規範開發形成的螺栓分析評估工具。
VDI2230規範既能通過理論和經驗公式、數據來評價單個同心或偏心夾緊圓柱螺栓接頭，也可實現多個系統的計算螺栓連接，但在這種方式中，有些參數很難評估給出，並且用戶經常做額外的假設，會導致有較高的安全係數，設計的域度過大。
為了更好地計算螺栓的荷載並能夠更準確的評估，Bolt Assessment inside ANSYS在有限元仿真分析計算方法的基礎上，利用有限元實際螺栓和承力結構件模型，通過分析自動獲取相關的參數，再基於VDI 2230規範評估螺栓的安全性和可靠性。
螺栓的重要參數，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可傳遞給螺栓設計計算模塊Kisssoft計算出不同階段下的校核解，這些計算結果可直接顯示在ANSYS界面上，允許用戶快速識別出關鍵螺栓。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果。
1、支持的ANSYS版本
ANSYS18.0及以上版本，目前支持最新版2020R1
ANSYS Mechanical Pro 及以上
2、功能介紹
Bolt Assessment inside ANSYS將VDI2230規範的過程與有限元計算進行了結合，提供了完整的螺栓計算分析功能：
1）有限元模型處理：
需特別注意螺栓幾何模型及接觸的定義。
【螺栓幾何模型】：除螺栓外，其他模型根據常規方式進行處理。為了精確的模擬螺栓，推薦參考VDI Part2 7.2.2.4部分以及VDI Part1 5.1.1部分。Bolt Assessment inside ANSYS最新版本（for ANSYS 2020R1）支持線模型及實體模型，分別對應於VDI2230 part2中的Model II 及Model III。
Model II：支持兩種類型的梁模型：
等效橫截面梁模型，只有一條線。
不同橫截面梁模型，可以有幾條線。
Model III：實體螺栓
每個螺栓只能包含一個體，螺栓上下表面必須與螺栓軸線垂直。幾何中不包括螺紋，因此未考慮螺紋區域剛度。推薦的螺栓建模形式如下：
螺栓的上部直徑推薦採用公稱直徑d，螺紋區域採用小徑 。
【接觸設置】：針對螺栓分別採用線模型及實體模型的情況分別說明
線模型螺栓
根據VDI2230 Part2 7.2.2.4建議部分，夾緊部件與螺栓的端部採用綁定接觸（MPC）進行連接。
實體螺栓
螺紋區域與螺母或者盲孔區域必須採用綁定接觸。其他接觸（螺栓頭/螺母承壓區域、交接面處）採用摩擦接觸。
2）載荷及邊界條件設置：
除螺栓載荷外，其他載荷及邊界條件正常施加，因需要考慮螺栓預緊力及嵌入的影響，求解設置中至少包括兩個載荷步：
不考慮嵌入的影響：至少兩個載荷步
Step1：螺栓預緊力
Step2：外載
考慮嵌入的影響：至少三個載荷步
Step1：螺栓預緊力
Step2：嵌入（計算因嵌入引起的預緊力損失）
Step3：外載
3）插入螺栓載荷並進行相關參數設置：
選擇螺栓，並插入螺栓載荷，完成相關參數設置。
設置的內容包括：
螺栓選擇：可以手動選取也可以基於已定義的Name Selection選取。針對實體螺栓，軟體自動識別螺栓上下表面及螺栓頭承壓面，並自動提取公稱直徑以及螺栓長度等參數。針對線螺栓，可包含多段線，軟體自動識別上下端點。
交接面設置：選擇要評估滑移的交接面，並設置摩擦係數以及Pinball參數。
預緊力設置：可選擇通過「力」以及「預緊力矩」的方式定義預緊力。當採用「預緊力矩」定義時，可設置擰緊係數，確定是採用最大預緊力還是最小預緊力進行計算。
嵌入設置：可選擇通過「手動」（直接輸入嵌入量）以及「交接面粗糙度」兩種方式進行定義。交接面粗糙度和嵌入量之間關係參見VDI2230,part1 Table5。
預緊過程：預緊力、嵌入以及工作載荷等可以通過「預緊過程」界面管理，同時，通過勾選不同工況設置疲勞評估的循環載荷。
螺栓數據：提供了完整的螺栓及螺母資料庫，用戶在進行螺栓設置時可直接採用資料庫中的參數，包括螺栓類型、強度等級、公稱直徑、螺栓長度、工藝處理以及基礎數據。
螺紋摩擦係數：影響計算工作應力中的剪應力的值，預設值是0.1。
承壓面摩擦係數：在給定預緊力時，影響預緊力矩的計算，預設值是0.1。
螺母支撐摩擦係數：在給定預緊力時，影響預緊力矩的計算。
極限表面壓力（螺栓頭）：螺栓頭接觸表面的極限表面壓力，預設值是630（MPa）
極限表面壓力（螺母）：螺母接觸表面的極限表面壓力，預設值是630（MPa）
載荷循環次數：疲勞極限載荷循環次數（N>2*10^6）或者耐久極限（N>10^4）。預設值是2* 10^6。
縮減係數：用於計算工作應力。
計算安全因子是否考慮MSA（附加彎矩的影響）。
4）評估結果的顯示：
SF：抵抗屈服強度的安全因子
SD：抵抗疲勞的安全因子
SP：抵抗接觸面壓力的安全因子
SGstd：抵抗滑移的安全因子
SGwt：抵抗滑移的安全因子（無扭轉）
5）計算報告：基於規範，進行螺栓評估和分析的中間數據和過程將通過報告自動生成得到，以供校核和評審使用。
四、Bolt Assessment inside ANSYS與VDI2230 part1手動計算過程對比說明
1、Bolt Assessment inside ANSYS未直接考慮VDI2230 part1 step0-7,推薦用戶分別執行最大預緊載荷及最小預緊載荷進行兩次分析。其中允許的最大預緊載荷可以基於VDI2230 part1 Tables A1-A4獲取。最小預緊載荷可以基於最大預緊載荷及預緊因子進行計算。螺栓及被夾緊件的柔度不需要計算，因為剛度的影響已經包含在有限元模型中。校核螺栓的各種強度安全因子後，如果不通過，重新設計，迭代循環完成螺栓設計和校核。
2、R8：計算抵抗屈服的安全因子，採用模型中提取的預緊力替換。可以考慮附加彎矩的影響。假定橫向力和扭矩是通過界面摩擦傳遞的，因此，附加扭矩和橫向力不用於計算安全係數。然而，擰緊產生的扭矩參見VDI2230 part1的方程式（153）進行考慮，相應的扭轉應力折減係數默認設置為0.5。用戶可以更改此值。
3、R9：計算抵抗疲勞的安全因子。根據選定的兩個載荷步計算應力幅值，螺栓杆中附加彎矩的影響根據VDI 2230 part2，當計算後軋制螺栓的疲勞安全因子的疲勞極限時，假設平均螺栓載荷等於。
4、R10：計算螺栓頭和螺母承壓面抵抗壓力的能力。假定夾緊部件的外徑大於螺栓頭的直徑。用於計算壓力的力是螺栓的總軸向力：。如果。
5、R11：確定最小擰入深度。此步驟在Bolt Assessment inside ANSYS中未做考慮。
6、R12：計算抵抗滑移的安全因子，軟體中可以採用兩種方式計算：
採用KISSsoft求解器進行計算，並輸出到計算報告中。
直接採用Bolt Assessment inside ANSYS計算，並在ANSYS Mechanical中進行顯示。
7、R13：此步驟計算的預緊力矩的值直接在計算報告中給出。其中Bolt Assessment inside ANSYS計算每個交接面的安全因子，可以通過「show interface Results」to 「yes」顯示交接面的結果。
五、Bolt Assessment inside ANSYS 優勢於VDI2230 part1手動計算的核心點
1、Bolt Assessment inside ANSYS計算效率非常高，求解快速，設定好數十秒完成計算，減少VDI2230 part1手動計算繁瑣的計算過程，往往一次計算長達幾十分鐘，同時可能迭代循環計算。
2、Bolt Assessment inside ANSYS計算可靠，準確，避免VDI2230 part1手動計算可能造成的人為計算錯誤，同時Bolt Assessment inside ANSYS會將每個步驟過程和計算結果通過計算報告清楚的給出，大大方便最後分析報告的驗證校核和完成。
3、Bolt Assessment inside ANSYS結合了有限元和螺栓規範VDI2230的相互優點，能夠克服常規有限元分析不能可靠的評估螺栓強度和安全係數，同時又能夠達成基於VDI2230規範手動計算不能很好實現的下面各步驟：
多螺栓各螺栓通過的載荷大小和具體載荷分配數值，可以基於螺栓非線性接觸，Bolt Assessment inside ANSYS自動提取各螺栓旁路載荷和釘載載荷
同軸緊固螺栓連接的彈性回彈力計算，計及螺栓變形情況，導致的圓錐體角度不恆定
偏心緊固螺栓連接載荷因子和載荷係數計算中，極限直徑 DA,Gr的取值，Bolt Assessment inside ANSYS可以自動獲取
R10計算螺栓頭和螺母承壓面抵抗壓力的能力。採用有限元計算結果接觸處理，結合規範評估。
R12計算抵抗滑移的安全因子，直接採用Bolt Assessment inside ANSYS計算，結果更精確，再結合規範評估。
以上是仿真秀專欄作者王慶燕老師基於VDI2230規範Part1、Part2進行螺栓評估的步驟以及Bolt Assessment inside ANSYS的功能講解。
後續她還將分別從實例化的角度介紹螺栓設計評估的手動計算實例及軟體（Bolt Assessmentinside ANSYS）計算實例，同時對比規範計算及軟體計算的區別，歡迎感興趣的朋友持續關注。