VDI_2230高强度螺栓连接的系统计算实例.pdf
采用VDI2230的风力发电机组塔筒法兰联接处螺栓强度分析.
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
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
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 ）。
VDI2230高强度螺栓连接系统计算研究
且根据应力取决于夹 紧零件和被夹 紧零件的弹
性 回能 。因此 总 结 如下 ：
Ｆｓ ＾一 Ｆ＾
（） ２
（） ３
Ｆ＾ Ｆｓ ＋ ＦＰ 一 ＾ ＾ ＦＰ ＝ （ 一 ） ＾ ＾ １ Ｆ
（ ） ４
并且 ：
Ｆ Ｒ Ｆ Ｋ ＝ ｖ— ＦＰ ＝ Ｆｖ （ 一 ） ＾ 一 １ Ｆ＾ （ ） ５
— —
在 大端 轴承 盖 螺 栓 连 接 中， 受 往 复 承
活 塞发 动 机 的振 动 ． 种 螺 栓 的 夹 紧 力 必 须 调 这
整得更高ｔ 以保证 在其 内力作用下不会 出现接 合 面单 侧分 离或 打 滑 。这两 种情 况 都会 由于 螺
栓 连接 的 自动 卸开 或螺 栓 的疲 劳 失效 从 而 引起 逐 渐破坏 。 由于夹 紧力会 引起 受力 轴 承 套变 形 ． 直 到它 们在 接 台 面 完 全停 止 转 动 一 此 夹 紧 力 因 应 该是 内部 压力 产 生的 工作 载荷 的许 多倍 。
一 一
螺 栓 的强 度级 别 ；
图２ 普通情况轴向工作栽荷 Ｆ 连接 图 ， 一
・
一
…
由于工作载荷引起连接体或者连接零
２７ ・
国外技术与管理
。 ＿
交 变 载 荷疲 劳强 度 ；
＼ 、 ＼ ＼
Ｆ 之 间（ 见 ４ ６ ２节 ） Ｍ 参 ．．
～
螺 栓 头 部 或 螺母 引起 的被夹 紧零 件 的
的弹性变形产生了单个螺栓连接处的轴 向载荷
Ｆ 、 向力 Ｆ 、 一横 口 弯矩 Ｍ 以 及 有 时 存 在 的 扭 矩 Ｍｒ 由于结 构零 件 和螺检 连 接 的设 计 是多 种 多 。 样的・ 确定 这 些 基 本 变量 的载 荷 与变 形 分 析是 困 难 而又 复 杂 的 ， 须 利用 静力 学和 弹性 力 学 必
VDI_2230实例
因此，可以求得预加载荷的损失量为
FZ f Z 1 1 8 10 3 2.415 103 N 6 6 S P 2.95 10 3.63 10
R5 要求的最小装配预紧力按公式（R5/1）计算（P22） 。
' FM min FKerf (1 * en ) FA max FZ F Vth 1000 (1 0.008) 24900 2415 0 28116 N
lGew 18 1.152 10 6 mm / N ES Ad 3 2.05 105 76.25
GM G M
lG lM 0.5 d 0.33 d 0.5 12 0.33 12 5 E S Ad3 E S AN E S Ad3 E S AN 2.05 10 76.25 2.05 10 5 113.1
基本实体的外径 DA DZ 80mm
DA 80 3.79 可得 y dWm 21.11
对于穿孔螺栓（DSV）按公式（5.1/27）计算D（D 见 P33，图 5.1/4 b）
tan D 0.362 0.032 ln( L / 2) 0.153ln y 0.362 0.032 ln(1.99 / 2) 0.153ln 3.79 0.556
在热处理以前滚压而成的螺栓，其疲劳极限按（5.5/19）式（P80）计算。
FM max l FMzul(10.9) 。
所选择的螺栓满足工作要求。 R8 工作应力 按（R8/1－P23）式计算最大的螺栓受力
FS max FM zul * en FA max 64800 0.008 24900 64999 N
关于VDI2230高强度螺栓系统计算的使用说明
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VDI2230-2003标准的动车组车钩联接螺栓强度分析
拉力
Ｆ 。
和最 大横 向力 Ｆ 。 ； 然 后 比较
ｉ 的大小 （
与
为 接触 面 间 的静 摩 擦 系
数） ； 最后 根据 （ （ Ｖ Ｄ Ｉ 标准 》 表Ａ ７进 行 螺栓 的尺寸
米 收 稿 日期 ： ２ ０ １ ４ － ０ ３ — １ １
作者简介 ： 王为辉（ １ ９ ８ ９一） ， 男， 硕士研究生 ； 李亚娜 （ １ ９ ７ ７一） ， 女， 副教授 ， 博士 ， 主要从 事车 辆 Ｃ Ａ Ｄ ／ Ｃ Ａ Ｅ及 其 关 键 技 术 、 焊 接 残 余 应 力 与 变 形 的
｛ Ｖ Ｄ Ｉ ２ ２ ３ ０—２ ０ ０ ３螺 栓 强 度 校 核 标 准》 在
螺 栓强度 的分 析 主要 是 理论计 算 和有 限元研 究两
方面， 理论计算一般基于《 机械设计手册》 进行评 估， 也有少数基于｛ Ｖ Ｄ Ｉ ２ ２ ３ ０— ２ ０ ０ ３ 螺栓强度校核
标 准》 （ 以后 简称 《 Ｖ Ｄ Ｉ 标准》 ） 进行校核． 有 限元
能拆卸 及在动力 荷载作用 下不致松 动等优点 ， 并 且
运用 日益广 泛 ， 是 很有发展前途 的连接方法 珥 ．
果， 提取 螺 栓 的 轴 向 力 和 横 向力 ， 结合《 Ｖ Ｄ Ｉ 标 准》 和《 机械设 计手 册》 对 螺 栓 的拉 伸 强度 和 剪切
强 度进行 评估 ， 从 而 为 螺 栓联 接 强 度 分 析 及设 计 提 供理论 依 据．
为 了满 足 高 速 列 车关 键 联 接 部 件 的强 度 要
求， 明确其 强度 薄弱 之处 ， 为车 体关键 联 接部件 的
改进 和确 定提 供依 据 ， 需要 对 高 速 列 车 的关 键 联 接部 件进 行 详 细 的强 度 分 析 Ｊ ．目前 ， 国 内外 对
VDI 2230 Blatt 1 - Schraubenberechnung Ausgabedatum 2015-11(中文版)
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VDI-产品和工艺设计学会（GPP）
产品开发和机0 第 1 部分 5.3 载荷系数和附加螺栓载荷 5.3.1 载荷系数和直到松开极限的附加螺栓载荷 5.3.2 在偏心加载的情况下松开极限的关系 5.3.3 松开连接的关系 5.4 预加载荷 5.4.1 最小夹紧载荷 5.4.2 预加载荷的变化 5.4.3 装配预加载荷和拧紧扭矩 5.4.4 液压无摩擦和无扭矩拧紧 5.4.5 最小装配预加载荷 5.5 应力和强度验证 5.5.1 装配应力 5.5.2 工作应力 5.5.3 交变应力 5.5.4 在螺栓头部和螺母支承面的表面压力 5.5.5 螺纹旋合长度 5.5.6 剪切载荷 6 提高螺栓连接工作可靠性的设计信息 6.1 螺栓连接的耐久性 6.2 螺栓连接的松弛 附录 A 附录 B 计算表 计算举例 63 63 67 70 71 71 71 75 83 84 84 84 87 92 96 97 102 106 106 108 109 130 171 171 171 171 172 175 175 176 179
FAab
偏心加载时松开极限轴向载荷 同心加载时松开极限轴向载荷
FAKa FB
偏心加载时，单侧边缘支承开始时的轴向载荷 在任何方向的连接工作载荷
VDI 2230 第 1 部分
-9-
符号 FK FKA FKab FKerf FKP FKQ FKR FM ΔFM FMm FM max
名称 夹紧载荷 松开极限时最小夹紧载荷 松开极限时夹紧载荷 用于密封功能、摩擦夹紧和防止分界面单侧松开所需的夹紧载 荷 确保密封功能的最小夹紧载荷 通过摩擦夹紧传递横向载荷和/或扭矩的最小夹紧载荷 在通过 FPA 卸载或加载时和在使用中嵌入后， 在分界面的残余夹 紧载荷 装配预加载荷 装配预加载荷 FM 与最小预加载荷 FM min 的差值 平均装配预加载荷 螺栓必须设计的最大装配预加载荷，以便在连接中产生和保持 所需夹紧载荷，尽管在操作期间的拧紧技术和预计嵌入缺乏精 确性 所需最小装配预加载荷； 在 FM max 作为在拧紧技术和最大摩擦中 缺乏精确性的结果时，可能出现的最小装配预加载荷 表 A1 到 A4（ν = 0.9）的装配预加载荷表列值 许用装配预加载荷 螺栓在 0.2%规定非比例伸长应力的装配预加载荷 螺母或内螺纹的脱扣力 螺栓螺纹脱扣力 自由加载螺栓螺纹的断裂力 夹紧部件加载变化的轴向载荷比例，附加板载荷 恢复损失 横向载荷，垂直于螺栓轴线的工作载荷或任何方向工作载荷 FB 的分量 许用螺栓支承压力 许用螺栓剪切力 限制滑动力 螺栓载荷
基于VDI2230标准的螺栓设计参数优化案例展示
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。
基于VDI2230标准的螺栓设计参数优化案例展示.pdf
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。
VDI2230在城市轨道交通电客车转向架高强度螺栓选型设计、校核中的应用
VDI2230在城市轨道交通电客车转向架高强度螺栓选型设计、校核中的应用摘要：转向架是电客车的核心部件之一，对行车安全至关重要。
转向架各部件之间主要通过螺栓进行联接，螺栓联接的安全、可靠设计和校核是转向架设计中非常核心的内容。
本文结合转向架的服役工况和设计流程，系统的阐述了VDI2230标准在转向架螺栓设计、校核中的应用，并基于VDI2230螺栓设计校核流程，开发了螺栓自动选型设计、校核系统，对转向架螺栓快速设计、校核具有重要指导意义。
关键词：转向架、VDI2230、螺栓选型、系统开发1引言截至2021年12月31日，我国内地共有46座城市开通城轨运营里程8773.22公里，城市轨道交通发展迅速[1]。
电客车是城市轨道交通系统的重要组成设备，转向架是电客车的核心设备之一，螺栓联接是转向架部件之间主要的联接方式，螺栓联接的安全、可靠设计和快速校核，对城市轨道交通运营安全具有影响。
传统的螺栓联接主要依据强度理论进行抗拉强度和剪切强度设计、校核，未考虑螺栓的拧紧方式、变形、旋入长度和疲劳等因素，难以得到一个精确的计算结果，无法保证螺栓联接的安全、可靠。
VDI2230自1986年出版以来，已经用于实践超过30年，在德国及其他多个国家广泛用于螺栓连接计算。
本文以某型车牵引拉杆安装螺栓为研究对象，研究VDI2230的选型计算流程，并开发了螺栓自动选型计算系统，以便于快速进行螺栓选型计算[2][3][4]。
2基于VDI2230的螺栓选型设计、校核计算应用VDI2230进行螺栓连接选型设计和校核前，需要对螺栓连接模型进行简化和受力分析，确定螺栓连接的最大、最小工作载荷，初选出螺栓的直径及其相关几何参数，然后进行安全校核。
螺栓连接设计主要分为螺栓连接计算模型简化、螺栓选型和选型校核三大部分，共有14个主要步骤，具体流程如图1所示[5]。
本文主要已牵引拉杆连接螺栓选型设计为例，说明VDI2230在城市轨道交通转向架中的应用及主要流程。
基于vdi2230标准的车下吊装设备螺栓强度分析
0引言地铁车辆车下吊挂设备的关键连接部件多采用高强度螺栓，是连接结构中的重要部件，对行车的安全性和可靠性具有重大的影响[1-2]。
这些设备结构经常工作在复杂多样的外载荷环境中，在连接部位会受到不同载荷作用，令结构表现出非线性特性[3]。
因此，对螺栓连接强度评估在装备结构设计阶段至关重要。
为了满足地铁车辆关键连接部件的强度要求，明确其强度薄弱之处，为车体关键连接部件的改进和确定提供依据，需要对地铁车辆的关键连接部件进行详细的强度分析[4]。
目前，对螺栓强度的分析主要是理论计算和有限元研究两方面，理论计算一般采用《VDI2230螺栓强度校核标准》（以下简称《VDI 标准》）进行校核[5]。
有限元研究方面，可以截取一对螺栓及小区域夹紧件进行定性分析，也可以将螺栓简化为BEAM 单元考虑整体连接结构进行分析。
本文以某地铁车辆车底吊挂的交流控制箱连接螺栓为研究对象，将控制箱与车体连接件部分采用四面体实体单元进行模拟，螺栓采用梁单元模拟，对连接面进行接触非线性强度分析，提取螺栓工作力，结合《VDI 标准》对螺栓强度进行评估，从而为螺栓连接强度分析及设计提供理论依据。
1交流控制箱连接结构非线性有限元分析计算1.1交流控制箱结构交流控制箱一般处于地铁T 车车体靠中心的位置，设备通过高强度螺栓吊装在T 车车底架上，如图1所示，其中螺栓为4个M16的高强螺栓，强度等级为8.8级，设备自重65kg 。
在地铁车辆运行过程中不仅受到不同方向的冲击载荷，同时也会长期承受疲劳载荷的作用。
因此，校核螺栓强度就显得十分必要了。
1.2交流控制箱结构有限元模型交流控制箱吊挂在车体底部横梁上，此时，截取梁工字横梁并对横梁两端进行全约束。
同时，将箱体简化为质心处的一个mass 点单元，使之刚性连接到箱体顶端的四个连接块上，4个高强度螺栓采用弹性梁来进行模拟，控制箱连接块与底架工字横梁设为接触对。
1.3交流控制箱结构螺栓工作力提取基于标准EN 12663对各类轨道车辆的分类。
VDI_2230高强度螺栓连接的系统计算-中文完整版
ICS21.060.10 2003年2月VDI 2230 第一部分高强度螺栓连接的系统计算单个圆柱螺栓连接内容页指南的基本注解 VDI 2230第1部分新版本2003年. . . . . . .………………………………….………… . . . . . . . 31 有效范围. . . . . . . . . . …………………………………………………………………………….………. . . . . . 32 技术准则 VDI 2230第1部分，1986年7月版与2001年10月修订版的差异.... . (3)3 载荷和变形条件 (4)3.1 可用的计算方法概述 (4)3.2 单个螺栓连接计算，力和变形分析................... . (5)3.2.1 同轴紧固单螺栓连接 (8)3.2.2 偏心紧固单螺栓连接 (8)3.2.3 单边开放的连接 (10)3.2.4 横向力的影响. . . . . …………………………….…….…….……………………………...……………… . 104 计算步骤................................................................... (10)4.1 概述. . . . . . . . . ………………………………….………….…………………………………………. . . . . . . 104.2 说明. . . . . ………………………………….…………………. ………………………………... . . . . . . . . . . 115 数值计算……………………………… . . . . . . …….…….……. ………………………….………………. . . . . 195.1 连接的回弹. . . . ……………………………………….……. ……………………………………………... . 195.1.1 螺栓的回弹. . . . . . . . . (19)5.1.1.1 轴向回弹. . . ………………………………………….………………………….…………………. . . . . 205.1.1.2 弯曲回弹. . . . . (21)5.1.2 重叠被连接件的回弹 (21)5.1.2.1 同轴紧固单螺栓连接的回弹........................................... (23)5.1.2.2 偏心紧固单螺栓连接的回弹............................................ .. (26)5.1.2.3 偏心作用的轴向工作载荷的回弹 (31)5.2 载荷系数. . . . . . . . . . . . . ……………………………………………………………………………………. . 325.2.1 轴向作用的工作载荷的作用线-距离a…………………...…………………………………………. . . . .325.2.2 载荷系数. . . . ……………………………………………..……………………………………………… . . 325.2.2.1 基本原理. . . . . . . (33)5.2.2.2 确定载荷系数n的步骤.................................................... . (34)5.3 载荷系数和附加螺栓载荷 (38)5.3.1 载荷系数和附加螺栓载荷的上限.......... . (38)5.3.1.1同轴负载. . . . ………………………...…………………………………………………………………. . 405.3.1.2偏心负载. . . . . . (40)5.3.1.3 特殊情况下的外部弯曲力矩 (41)5.3.2 偏心载荷情况下上限的关系式 (41)5.3.3 开式连接的关系式 (44)5.4 预加载荷. . . . . . . . . ………………… ……. . . …………………………………………………………… . 475.4.1 最小夹紧力 (47)5.4.2 预紧力的变化. . .... . . . . . . . . (47)5.4.2.1 由于压陷和松弛产生的预紧力变化 (47)5.4.2.2 温度对预紧力的影响 (49)5.4.3 装配预紧力和拧紧力矩 (50)5.4.3.1 力矩控制拧紧 (52)5.4.3.2 转角控制拧紧 (53)5.4.3.3 屈服控制拧紧 (54)5.4.3.4 拧紧方法的比较 (54)5.4.3.5 最小装配预紧力 (54)5.5 应力和应变的计算 (55)5.5.1 装配应力. . . . . .................................................................................................. . . . . . . 55 5.5.2 工作应力. . . . . . . . ................................................................................................ . . . . 58 5.5.3 交变应力.................................................................................................. . . . . . . . . . . 59 5.5.4 螺栓头和螺母支承面的表面压力 (63)5.5.5 啮合长度. . . . . . . (64)5.5.6 剪切应力. . . . . . ……………………….………………………………………………………… . . . . . . 67 5.5.6.1 概述. . . . . . . . . . ……………………….………………………………………………………………. . 67 5.5.6.2 载荷分布. . . . ………………………….……………………………………………………………. . . 67 5.5.6.3 静载荷. . . . . ………………………………….……………………………………………………. . . . 685.5.6.4 动载荷………………………………………….……………………………………………... . . . . . . . 696 提高螺栓连接工作可靠性的设计. . . . . …………...….……………………………………………………. . 70 6.1 螺栓连接耐久性. . . . . . ………………………………………………………………………………….. . . 706.2 螺栓连接的松脱. . ………………………………………………………………………………….. . . . . . 717 标记符号及其内容………………………………….……………………………………………... . . . . . . . . . . 71 参考文献. . . . …………………………………….………………………………………... . . . . . . . . . . . . . . . 81 附件A 计算用表. . . . ……………………………...………………………………………………….... . . . . . . 84 附件B 计算例题. . …………………………………………………………………………………... . . . . … . . 98 附件C 载荷系数计算. . ………………………..……..……………………………………………….. . . . . . . . 138指南的基本注解2003年新版本，VDI 2230第一部分本指南已经用于实践超过25年，被广泛承认和经常参考，现在德国及其它地方被当作是标准工作用于计算螺栓连接。
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VDI2230计算高强度螺栓
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vdi 2230标准简介
VDI 2230是一个德国工程师协会（VDI）发布的技术规范，它涉及到在机械安装中使用的高强度螺栓连接的计算方法。
这个标准为设计师和工程师提供了一套规则和指南，以确保在高载荷条件下使用螺栓连接时的安全性和可靠性。
VDI 2230标准主要包括以下几个方面的内容：
1. **螺栓的预紧力**：提供了计算螺栓预紧力的方法，以确保螺栓在预紧状态下的应力分布是安全的。
2. **螺栓的载荷能力**：包括了计算螺栓在拉伸、剪切和挤压载荷下的最大承载能力的方法。
3. **连接件的刚度**：提供了计算连接件刚度的方法，这对于评估连接件在受力后的变形非常重要。
4. **偏心载荷的影响**：考虑了偏心载荷对螺栓连接性能的影响，并提供了相应的计算方法。
5. **多螺栓连接的计算**：对于多螺栓连接，VDI 2230提供了计算单个螺栓和整体连接性能的方法。
6. **疲劳寿命的计算**：包括了计算螺栓在反复载荷下的疲劳寿命的方法。
7. **螺栓连接的安全性评估**：提供了评估螺栓连接在各种载荷下的安全性，包括初始载荷、工作载荷和疲劳载荷。
关于《VDI-2230标准》的使用说明
关于《VDI-2230标准》的使用说明由于《VDI-2230标准》是针对高强度螺栓校核建立的，所以在计算时，不同强度螺栓的参数选取有所区别。
高强度螺栓碳钢：8.8级及以上奥氏体不锈钢类：8.0级及以上一、通用说明R0. 被夹紧件确定被夹紧件长度lK:垫片长度不算；若滑块在螺杆方向，则算作螺母，亦不计入。
R1.拧紧系数的确定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，则根据表A8取值，一般拧紧方式为扭矩扳手拧紧；螺纹摩擦系数μG：根据表A5得到，如果有试验值，则取试验值。
R2.受力界面数、横向力数值、扭矩数值的确定q f , qm：被夹紧件串联取1，并联取2；Ansys中导出的MYmax值取绝对值，计算时代入正值。
R3. 连接类型的确定根据受力情况而定，一般情况为同心夹紧与加载，且趋于安全性的考虑，选SV1。
R5. 轴力数值的确定FAmax为Ansys中静强度工况导出的轴力，若出现负值，代入0。
R7. 屈服强度的利用系数屈服强度利用系数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。
R8.工作应力的确定如果初始设计给的预紧力合格，则以后步骤中出现的FMZul均代入设计给的预紧力。
R9.交变应力的确定F SAO - FSAU为Ansys中疲劳工况导出的轴力，若出现负值，代入0。
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。
二、高强度螺栓1.涉及查表的参数，先取中值，若不通过，则另外考虑。
其中R1螺纹摩擦系数μG 取0.1，R2被夹紧界面最小摩擦系数μTmin取0.21。
2.R12中抗滑移安全系数定义为1.2，防剪切系数定义为1.1。
三、非高强度螺栓1.涉及查表的参数，均取范围内的边界值。
2.R4中预紧力损失量FZ取计算值的10%。
3.R12中抗滑移安全系数义为1，防剪切系数定义为1.1。