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KISSsoft软件基础培训螺栓


KISSsoft软件基础培训 ------螺栓

一. VDI 2230标准介绍

KISSsoft软件的螺栓模块采用的是国际上通用 和流行的VDI 2230 德国标准。软件之所以采用这个 标准,是因为在遇到高强度螺栓承受静态或交变工 作载荷时螺栓的连接时,尤其是当连接失效可能引 起严重损坏等情况,VDI (德国工程师协会)2230 最为

适用。 准则VDI 2230旨在向设计人员展示螺栓连接领 域中最新成果,推荐一种系统的计算方法,以帮助 设计人员正确设计螺栓连接。而使用KISSsoft软件 则省去了中间不必要的繁琐计算过程,指明了一条 高效的捷径。

一. VDI 2230标准介绍 螺栓连接分为普通螺栓连接和高强度螺栓连接。 高强度螺栓(包括螺帽和弹垫均采用高强度材料制作)连接, 安装时,用特制的扳手拧紧螺母给栓杆施加很大的预紧力,从而在 被连接板件的接触面上产生很大的压力。 摩擦型高强度螺栓连接:这种连接仅靠板件接触面的摩擦力传 递剪力。这种连接,板件间不产生相对滑移,其工作性能可靠,耐 疲劳。 承压型高强度螺栓连接:这种连接是依靠板件间的摩擦力与栓 杆承压和抗剪共同承受剪力,连接的承载力较摩擦型的高,可节约 螺栓。但这种连接受剪时的变形比摩擦型大,所以只适用于承受静 载荷和对结构变形不敏感的连接中。

一. VDI 2230标准介绍 螺栓连接体是由单个或多个螺栓连接两个或更多零件的一个可 分开的连接体。螺栓及其拉力载荷必须能够确定,以便产生的连接 能充分满足预定的功能并承受工作载荷。举实例说明: 在压力阀盖的螺栓连接中,螺栓压紧力能够承受内部压力引起 的工作载荷,并能够达到设计的密封功能。 在大端轴承盖螺栓连接中,承受往复活塞发动机的振动,这种 螺栓的夹紧力必须调整地更高,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,直到它们在接合面完全停止转动,因此夹紧力应该是内部压 力产生的工作载荷的许多倍。 在轴上圆盘飞轮前端的螺栓连接中,螺栓的夹紧力必须足以在 连接中产生一定的摩擦连接,而且要满足传动所必需的扭矩。

Application实际工况

一. VDI 2230标准介绍

高强度螺栓的强度等级分8.8、10.9和12.9级。

热处理之后

二. VDI 2230标准适用范围

之前的文献中只给出了同心夹紧和同心载荷螺栓连接 中各种因素的处理方法,实际上偏心夹紧和偏心载荷连接 的场合更多,VDI 2230提供了其设计公式;这些公式已经 被测试结果和最近的研究成果所证实。本准则中的表格、 图解和实例使系统计算方法使用起来更加方便。 VDI 2230准则中的技术规范对于在40°~300°这一 温度范围内的钢螺栓是适用的,这一温度范围内不希望出 现螺栓材料的低温脆性和蠕变应力。高于120°时必须按 照调整过的材料的特性进行设计计算。 准则中没有讨论极限工作应力,如超高、低温,腐蚀 和不可确定的冲击应力等情况。

三. VDI 2230标准简单剖析

法兰联接处的螺栓,其联接的可靠性决定着整个系 统整体的可靠性。传统螺栓联接强度理论只对螺栓组联接 受轴向载荷或受颠覆力矩的情况进行简单分析。 螺栓联接从联接方式可分为: 同心夹紧和偏心夹紧,即螺栓轴线 与被联接弹性体横向对称中心线是 否一致(如图1中s-s线和o-o线)。 从加载方式可分为:同心加载 和偏心加载,即外载荷作用线与螺 栓轴线是否一致。采用VDI 2230从 新的角度对螺栓联接进行理论分析, 为螺栓设计提供新的理论依据。

三. VDI 2230标准简单剖析

在满足能量传递的前提下,所有螺栓联接的实例原则 上都可以运用单螺栓联接模型的方式进行分析,并经过试 验验证是可行的。取整个圆周法兰的一部分,偏心夹紧偏 心加载单个螺栓模型如上图所示。 具体分析过程如下:

1.1 弹性变形体组成

当有螺栓预紧力作用时,在螺栓周围区域内会引起 相应的变形,若弹性变形体横向截面不具有对称性时(如 图1中s-s与o-o不共线),则弹性变形体变形也是非均匀的, 根据变形能相等原则,变形区域可等效为圆锥和圆柱区域。

三. VDI 2230标准简单剖析

1)弹性变形体接合面等效外径DA

式中:PCD为螺栓轴线到法兰中心线距离,mm;dh 为螺栓孔直径,mm;bfl为法兰宽度,Nbolt为螺栓个数。 2)弹性变形锥的极限直径DAGr为:

式中:dw为螺栓夹持外径,mm;lk为螺栓联接夹持长 度,mm;?D为变形锥角。

三. VDI 2230标准简单剖析

计算等效外径DA,则被联接弹性变形体可等效为由变 形锥和变形套筒组成(如图1中阴影部分组成);反之在 DAGr极限直径下由变形锥组成。

三. VDI 2230标准简单剖析

三. VDI 2230标准简单剖析

螺栓连接系统刚度计算,灰色部分为非受载荷部分, 因此不对该部分刚度计算。 小箭头表示的是施加载荷的位置。该载荷应用位置尽 量远离螺栓头部和螺帽。所以,选择SV6是最理想的载荷 受力情况。

三. VDI 2230标准简单剖析

三. VDI 2230标准简单剖析

αK 螺栓头边缘至零件边缘的尺寸。 lA 只考虑作用在中心的载荷时,lA=0;考虑偏心力矩情 况下。 30°是在受中心力矩情况下计算刚度分布情况。

二. VDI 2230标准的适用范围

1.2 被联接件弹性变形体的柔度

1.2.1 同心夹紧情况
在同心夹紧情况下,被联接弹性变形体随预紧力的施 加,其在螺栓轴线两侧的变形是均匀对称的,则弹性变形 体的柔度δp为:

式中:Ep为弹性变形体的弹性模量,Mpa。

三. VDI 2230标准简单剖析

1.2 被联接件弹性变形体的柔度

1.2.2 偏心夹紧情况
偏心夹紧时由于螺栓轴线两边弹性体的弹性变形不均 匀,非横向对称的变形导致螺栓头偏斜。除了弹性变形体 的纵向变形外,偏心夹紧还引起被夹紧弹性变形头的弯曲 变形。因此,偏心夹紧被联接弹性变形体的柔度比同心夹 紧时的柔度要大些,可表示为:

三. VDI 2230标准简单剖析

1.2 被联接件弹性变形体的柔度

1.2.3 偏心夹紧及偏心加载的情况
工程中,同心夹紧和同心载荷螺栓联接的情况是非常 少的。大部分情况下,外部工作载荷FA的作用线不是位于 螺栓轴线上,且螺栓轴线本身不会和被联接弹性体横向对 称中心线o-o重合。 当偏心螺栓以距离Ssym布置,外部工作载荷距离横向 对称中心线o-o为a,且受预紧力时,被联接弹性变形体的 柔度δp2可表示为:

三. VDI 2230标准简单剖析

1.3 螺栓的柔度

对于螺栓的弹性变形,不仅要考虑到螺栓被夹持长度 范围内的弹性变形,也要考虑到这个范围之外的弹性变形。 因为在螺栓联接中,这个区域对螺栓的变形情况也会产生 影响。 螺栓由若干单个要素组成,可以由一些长度为li、横 截面积为Ai的圆柱体所代替,单个螺栓变形示意图如图2 所示。图2中,lsk为螺栓头部变形等效长度;lGM为螺纹啮 合等效长度。

三. VDI 2230标准简单剖析

Es是螺栓材料的杨氏模量,在力F的作用下,单个要 素的伸长量fi可表示为:

因此,可得到一个圆柱体单要素在轴线方向的弹性柔 度δi为:

在螺栓中,圆柱体要素是依次排列的,因此在被夹持 长度范围内和其他变形区域内,螺栓总的柔度δs是由一系 列单个圆柱体要素的柔度累加得到:

三. VDI 2230标准简单剖析

1.4 外部载荷 圆形法兰均匀分布多个螺栓,根据企业提供特定的载 荷,等效得到受力最大的单个螺栓的外部工作载荷FA,法 兰整体受力状态不失为一般形式。设圆柱形法兰所受弯矩 为M和沿螺栓轴线方向的力N,则法兰圆周上受力最大的 螺栓外部工作载荷FA为:

三. VDI 2230标准简单剖析

1.5 等效应力
1.5.1 螺栓的相对刚度 载荷引入因子n用来考虑在单个螺栓联接中因载荷位 置不同对被联接弹性体柔度的影响,根据公式ak=a-ssymdw/2,计算ak/lk的值,线性插值可得到载荷引入因子n,并 将载荷引入因子带入式中。螺栓工作受到的附加力是螺栓 轴向工作载荷的函数,用相对刚度表征,再考虑偏心夹紧 及偏心加载,则螺栓的相对刚度?en为:

三. VDI 2230标准简单剖析

1.5.2 螺栓所受最大轴向载荷

式中:F1为螺栓所受最大轴向载荷,kN; Fv为预紧力, kN;FA为外部工作载荷,kN。

于是可得螺栓的轴向应力σZ为:

式中:As为应力截面积,mm2。

三. VDI 2230标准简单剖析

1.5.3 螺栓螺纹啮合处的扭矩

式中:MG为螺栓螺纹啮合处的扭矩;d2为螺栓中径, mm;p为螺纹节距,mm;μ为螺纹处摩擦因数。 则螺纹啮合处扭应力τ为: 式中:Wp为抗扭截面模量,mm3。 1.5.4 螺栓的等效应力 螺栓在拉伸及扭转共同作用下的等效应力σred为:

三. VDI 2230标准简单剖析

由于存在大量可能的螺栓连接结构和相互作用,确定 影响螺栓连接的外力和扭矩在本准则中不予论述。 另一方面考虑到螺栓连接拧紧时预紧内应力分散作用 影响,因此这里给出的数值是以系列测试值为依据的。 在实际应用中,必要时 参考下列DIN标准、准则和本 专业的出版物:

三. VDI 2230标准简单剖析

由于结构零件和螺栓联接的设计是多种 多样,确定这些基本变量的载荷与变形分析 是困难而又复杂的,必须利用静力学和弹性 力学的知识来完成。而VDI 2230标准通过一 些简单的、对称的和相对的刚性的连接体施 加简单工作载荷分析就可以获得一些基本变 量,将复杂的系统简化成便于分析的模型, 基本的模型如下图所示:

三. VDI 2230标准简单剖析

三. VDI 2230标准简单剖析

螺栓连接体的计算是依据外部作用于连接体上 的工作载荷FB完成。这一工作载荷和由它引起的弹 性变形产生了单个螺栓连接处的轴向载荷FA、横向 力FQ、弯矩Mm,以及有时存在的扭矩MT。

螺栓连接计算的目的是通过考虑下列影响因素 来确定螺栓尺寸:1. 螺栓的强度级别;2.由于工作 载荷引起连接体或者连接零件中初始夹紧力的减少; 3. 由于嵌入现象引起初始夹紧力减少;4. 拧紧过程 中预紧力的分散;5. 交变载荷疲劳强度;6. 螺栓头 部或螺母引起的被夹紧零件的压缩应力。

三. VDI 2230标准简单剖析

三. VDI 2230标准简单剖析

夹紧力和摩擦力的关系

三. VDI 2230标准简单剖析

装配状态(无外加载荷情况)
在拧紧过程中,螺栓受预紧力FM后发生弹性伸长,伸长量fSM为:

同时被压紧零件压紧在一起,压缩 量fPM 为:

达到初始预紧力FM的夹紧情况(预紧力和压紧力相等)

三. VDI 2230标准简单剖析

Φ表示内力系数 FSA/FPA

在螺杆头部和螺母承面处同心引入轴向拉力的理想情况时的连接图 轴向压力的理想情况

与装配情况相比较,在这种外加载荷情况下,螺栓和被夹紧零件 同时伸长,其伸长量相等。同时,螺栓必须承受全部力FS,力FS比预紧 力FV大FSA。被夹紧零件的夹紧力同时减少FPA,以至于仍然保持的剩余 夹紧力为FKR=Fv-FPA。

五. KISSsoft螺栓模块介绍

五. KISSsoft螺栓模块介绍

五. KISSsoft螺栓模块介绍 在装配过程中,如果一个螺栓被拧紧到初始夹紧载荷FM,那螺 栓会伸长fSM,同时被连接件缩短fPM,如图所示。完成装配后,会出 现嵌入现象(尤其在交变工作载荷的影响下),弹性伸长变量 fSM+fPM减少了嵌入量fz,结果初始夹紧力FM减少FZ。 在拧紧过程中承受的初始夹紧载荷FM---取决于拧紧方法和条件 ---分散值在Fmin和Fmax之间。 这种分散情况的测量值是拧紧因素aA, aA= Fmax/ Fmin。 轴向力FA在螺栓中引起附件力FSA,从而使夹紧力FK减少了FPA, 还剩下剩余夹紧力FKR,附加载荷FSA与工作载荷的轴向分力FA成正比 例。我们称该比例因素Φ为力的系数,因此总结为:

五. KISSsoft螺栓模块介绍 螺栓连接设计的设计方法为剩余夹紧力FKR至少要等于保证螺栓 连接功能所需要的夹紧力Fkerf。这一剩余夹紧力必须保证满足密封 要求或者摩擦连接。因此:FKR>=Fkerf。

三. VDI 2230标准简单剖析

几种可能的螺栓连接的 交变应力情况
交变强度计算链接

三. VDI 2230标准简单剖析

螺栓发生塑性变形

三. VDI 2230标准简单剖析

关于特殊其他情况下螺栓计算,比如嵌入现 象分析、螺栓和连接件的弹性变形、偏心夹紧和 偏心载荷等因素的分析等,请参考以下文献:
1. VDI 2230 准则英文版 2. 杂志和刊物上关于VDI 2230准则的说明

3. 使用VDI 2230 计算的案例

四. 参数汉化附录

四. 参数汉化附录

四. 参数汉化附录

四. 参数汉化附录

五. KISSsoft螺栓模块介绍

使用KISSsoft软件首先要明确螺栓系统连接系 统的类型,是单螺栓连接情况还是多螺栓法兰 (圆盘)连接情况。

1. 单螺栓轴向力FA。实际工作载荷FB的轴向工作载荷或 者轴向分力。

2. 单螺栓轴向力FA和横向力FQ(剪切力)。螺栓轴向正 横向工作力或者任一方向的定向工作载荷FB的横向分力。

五. KISSsoft螺栓模块介绍

r a 称为摩擦圆半径

五. KISSsoft螺栓模块介绍

使用KISSsoft软件对于多螺栓系统连接的类型, 有规则的法兰连接形式和无规则螺栓位置的连接。

五. KISSsoft螺栓模块介绍

对于法兰连接,软件强烈建议选择扇形结构 的连接体形式。

五. KISSsoft螺栓模块介绍

同时,对于盘形、圆形、方形连接体也可供 选择。

五. KISSsoft螺栓模块介绍

采用螺栓自定义形式可以根据实际 使用需要安排螺栓在法兰上的位置。

五. KISSsoft螺栓模块介绍

五. KISSsoft螺栓模块介绍

在螺栓连接计算时,不可避免的要考虑拧紧 系数。当你在拧紧一个螺栓,很难拧紧到最理想 状态,螺栓的预紧力都不相同,比如使用十个螺 栓,其中一个处于最紧状态,而另一个螺栓则处 在最松的预紧力下。因此,即使使用最先进的拧 紧的工具方法也无法达到最理想的状态。KISSsoft 里面给出的拧紧系数比如1.4,则表示最高预紧力 是最低预紧力的1.4倍,由此来确定一个误差范围。

五. KISSsoft螺栓模块介绍

五. KISSsoft螺栓模块介绍

五. KISSsoft螺栓模块介绍

六角法兰面螺栓(轻型/加大系列) hexagon cap screw with flange, light /strong serie= hexagon bolts with flange= hexagon flange bolts—Heavy series 方头螺栓 square head bolts=square bolts 内六角孔圆柱平头螺栓 hexagon socket head cap screw with low head

内六角头筒形螺栓 cylindrical screw with socket head bolt 开槽圆柱头螺栓 cylindrical head stud with slot

五. KISSsoft螺栓模块介绍

自定义螺栓功能

Bolt shank螺栓颈部 (无螺纹部分) Diameter of reduced shank Reduced shank length

① 5.82 22

② 9 6



5.82(mm) 15 (共43mm)

五. KISSsoft螺栓模块介绍

粗牙/细牙 螺纹类型选择

五. KISSsoft螺栓模块介绍

点击计算,系统自动计算出最小螺栓长度。

在定义完已知载荷和基本数据后,点击 螺栓公称直径后面的选项按钮 ,系统自动 帮助推荐一个螺栓直径。该公称直径是依据 VDI 2230标准附录当中的表格,但是请注意: 根据以往经验,该推荐规格尺寸往往比实际 应用的规格要大一到两个型号。比如实际是 M14,那么计算出来的可能就是M16,软件 会自动提示用户该情况。

五. KISSsoft螺栓模块介绍

被连接件的设置主要包括材料和表面粗糙度。在 KISSsoft数据库已有的数据中,对被连接件的材料性能已 经定义完毕,对于用户特殊材质的自定义需要,可以对上 下材料的宽度、许用压力、弹性模量以及热膨胀系数进行 定义。

五. KISSsoft螺栓模块介绍

对法兰扇形压紧部分的外圆和内 圆直径以及分度圆直径设置,并 可以点击计算按扭 算出螺栓 间距t。

螺栓底孔直径设置,有两种方 法,一种是按照标准定义直径; 另一种是自定义形式设置。底 孔边缘需要倒圆角。

五. KISSsoft螺栓模块介绍

许用预紧力Require preload(min/max):紧固系数αA在本案例中 有一个范围区间1到1.6,所以为保证整个连接系统安全,许用预紧 力不应该超过这个范围。 扭紧扭矩(初始扭矩)Necessary tightening torque(min/max): 能够保证连接体紧固的扭矩。同样在扭矩系数的范围1到1.6内取值。 螺栓安全系数:抗屈服变形安全系数。
抗压安全系数:表面能够抵抗压力的最小安全系数。 交变载荷安全系数:螺栓抵抗交变载荷作用的最小安全系数。

五. KISSsoft螺栓模块介绍

五. KISSsoft螺栓模块介绍

根据VDI 2230标准,整个图形分为三种情况来表述整个工作状态: 1) FM: Working state 初始预紧力工作状态。 2) FM (n=1): Working state (loading under head and nut (n=1), theoretical)考虑在螺栓头部和螺母表面承载应力情况下的工作状 态,n为载荷分布系数load application factor。 3) FM/alpha: (KISSsoft specific) Working state/tightening factor 考虑 紧固系数下的初始预紧力的工作状态。 FMmin, FMmax 为最大、最小预紧力,实际计算出的值必须要大 于它们才能保证整个系统不发生开裂。 FSA 和FA 在图形中有所描述。 FSmax(N): 总螺栓力。 FKerf (N): 对于密封功能、摩擦接触和阻止接合面单侧分离来 说所必需的夹紧力。 FSA(N): 轴向力加载到螺栓上产生的额外力。

五. KISSsoft螺栓模块介绍 a)初始条件下的工作状态。 b)装配条件下未工作状态的连接状态。 c)工作条件下,分为两种情况:
1. 理论情况:在螺栓头部和螺母表面承载应力情况下的工作状态(n=1)。 2. 实际情况:考虑在法兰其它平面层上承受拉力的工作状态(n<1)。

六. 螺栓连接练习

下面请大家使用KISSsoft软件计算一个螺栓连 接的联系,希望能加深大家的理解。

六. 螺栓连接练习

Exercise:Bolt connection of a yaw drive


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