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MDESIGNBOLT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MDESIGNBOLT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SF=1.16＞1，满足抗屈服安全条件；⑶抗疲劳安全系数SD=18.44＞1.2，远远满足交变应力安全条件；⑷抗压溃安全系数SpMK=1.19＞1，SpBK=1.18＞1，满足表面压强安全条件；⑸现有啮合长度mvorh=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MDESIGNBOLT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MDESIGNBOLT模块，我们只需修改一个输入参数即可验证以上想法。将螺栓的公称直径从M12修改为M10，然后进行验算：在修改螺栓公称直径之后进行计算时，出现的提示弹窗如下，说明螺栓所需的最大预紧力大于螺栓所能承受的最大装配预紧力。从图示中，我们也可以看出，绿线是超过红线的，这说明选用公称直径为M10的螺栓会导致螺栓连接的可靠性不足；三、修改螺栓的强度等级从上图可以看出把螺栓的公称直径调小之后，会造成螺栓连接的可靠性不足，那么我们就从降低螺栓的强度等级的方面考虑。选择强度等级更低、成本更低的螺栓，是否依旧能够保证螺栓连接的可靠性呢？通过MDESIGNBOLT模块，我们也只需修改一个输入参数即可验证以上想法。将螺栓的强度等级从12.9调整为10.9，然后进行验算：从图示中我们可以直观的看出，螺栓的最大需用装配载荷（红线）是大于螺栓所需的最大装配预紧力（绿线）的，同时余量在15%左右。经过这两次参数的调整，我们对初选的螺栓参数进行的了优化，最终选择的螺栓参数为公称直径M12，强度等级12.9。四、增加横向载荷上述的案例是十分基础的不承受横向载荷的案例，而实际工程中遇见的螺栓连接往往也是需要承受横向载荷的。于是，我们为这个案例增加一个横向载荷，进而掌握通过MDESIGNBOLT模块计算有横向载荷的案例。除了在上次推文中介绍的输入参数以外，我们还需分别添加如下两个输入参数：首先，我们在选择螺栓连接的类型时，需要选择受横向载荷的单螺栓连接；接下来，我们需要添加横向载荷的大小，此案例的横向载荷我们设定为2000N；最后，我们还需要设定被连接件之间的接触界面的最小摩擦系数，通过查阅标准中的附表，这里取值为μTmin=0.15；其它的输入参数与上次推文中所述的内容完全一致。在增加2000N的横向之后进行计算时，再一次出现如下的提示弹窗，说明螺栓所需的最大预紧力大于螺栓所能承受的最大装配预紧力。五、参数分析由图示和计算结果可知，螺栓所需的最大预紧力（绿线）略大于螺栓所能承受的最大装配预紧力（红线），同时螺栓连接的抗滑移安全系数仅为0.86，远小于在动态加载的情况下抗滑移安全系数的推荐值1.8。所以，我们接下来主要以提高抗滑移安全系数为目标，进行参数分析，分析哪些参数的变化会对螺栓连接的抗滑移安全系数产生影响。首先，我们选择螺栓的材料利用率（屈服强度使用率）作为自变量，取值范围为90%-100%；选择螺栓连接的抗滑移安全系数作为因变量，进行单变量参数分析：通过计算，可知：材料利用率从90%提高至100%，抗滑移安全系数从0.86提高至1.17，增加了1.4倍；我们再选择被连接件之间的最小摩擦系数作为自变量，取值范围为0.15-0.25；选择螺栓连接的抗滑移安全系数作为因变量，进行单变量参数分析：通过计算，可知：被连接件之间的最小摩擦系数从0.15提高至0.25，抗滑移安全系数从0.86提高至1.43，增加了1.7倍；综上分析，单独提高螺栓的材料利用率或被连接件之间的最小摩擦系数，都是不能使抗滑移安全系数达到动态加载情况下的推荐数值1.8。因此，可以综合考虑，同时提高以上两个参数，进行多变量参数分析；通过计算，可知：当被连接件之间的最小摩擦系数取值为0.25、螺栓的材料利用率为100%时，抗滑移安全系数最大为1.96，满足在动态加载情况下的抗滑移安全系数的推荐数值1.8。六、重新验证计算在进行参数分析之后，我们选择合适的参数重新进行验证计算，综合上述的分析过程，螺栓的材料利用率取值为98%、被连接件之间的最小摩擦系数取值为0.25；验证计算结果如下：我们可以看到，在经过参数分析、对输入参数进行调整之后得到的计算结果是令人满意的，抗滑移安全系数达到了1.85，螺栓连接所需的最大预紧力也小于螺栓所能承受的最大装配预紧力，其它的各类安全系数，如：表面抗压溃安全系数等也都达到了VDI2230标准下的推荐值。附言：1.在此案例的参数分析与优化过程中，我们涉及到了调整螺栓的公称直径、强度等级、材料利用率、被连接件之间的最小摩擦系数。但在实际工程应用中，可以调整的参数远远不止上述的这些，还可以调整装配方式，进而调整拧紧系数，调节螺栓的螺纹摩擦系数等等。实际工况所遇见的优化问题还需具体案例具体分析。