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VDI-2230高强度螺栓连接的系统计算-中文版.pdf
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VDI-2230高强度螺栓连接的系统计算-中文版.pdf
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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. . . . . . .………………………………….………… . . . . . . . 3
1 有效范围. . . . . . . . . . …………………………………………………………………………….………. . . . . . 3
2 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. . . . . …………………………….…….…….……………………………...……………… . 10
4 计算步骤…………………………………………………………. ……………………………………………...10
4.1 概述. . . . . . . . . ………………………………….………….…………………………………………. . . . . . . 10
4.2 说明 . . . . . ………………………………….…………………. ………………………………... . . . . . . . . . . 11
5 数值计算……………………………… . . . . . . …….…….……. ………………………….………………. . . . . 19
5.1 连接的回弹 . . . . ……………………………………….……. ……………………………………………... . 19
5.1.1 螺栓的回弹. . . . . . . . . ………………………………….………………………….………………………...19
5.1.1.1 轴向回弹 . . . ………………………………………….………………………….…………………. . . . . 20
5.1.1.2 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. . . . . . . . . . . . . ……………………………………………………………………………………. . 32
5.2.1 轴向作用的工作载荷的作用线-距离
a
…………………...…………………………………………. . . . .32
5.2.2 载荷系数. . . . ……………………………………………..……………………………………………… . . 32
5.2.2.1 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 . . . . ………………………...…………………………………………………………………. . 40
5.3.1.2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. . . . . . . . . ………………… ……. . . …………………………………………………………… . 47
5.4.1 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
2
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 . . . . . ………………………………….……………………………………………………. . . . 68
5.5.6.4 动载荷 ………………………………………….……………………………………………... . . . . . . . 69
6 提高螺栓连接工作可靠性的设计. . . . . …………...….……………………………………………………. . 70
6.1 螺栓连接耐久性. . . . . . ………………………………………………………………………………….. . . 70
6.2 螺栓连接的松脱 . . ………………………………………………………………………………….. . . . . . 71
7 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
3
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。本指南的目的是给设计师和设计工程师提供更多的按照计算步骤,用于计算螺栓连接提高系统步骤的参考。
自从1986年出版以来,在使用该指南时已经积累了很多经验,这也证明了指南本身在众多的事项和一系列用户
变更零部件的查询中的地位。这些和其它标准工作的变化,特别是一些新知识和研究结果,已经导致VDI委员会根本
性地修订指南第一部分,并到目前为止延迟了计划中的第二部分(多螺栓连接)。
该修订不仅仅是限制了更新某些方面,还有一些内容上的根本变化。此外,指南的结构也已经有了变化,目的
是提高清晰度。那些不直接用于计算要求的内容也被去掉了(例如,螺栓头部高度),或者已经被减少到了需要理
解的最低水平(例如装配方法)。
经过集中讨论和1998年提交的草案修改,新版本的指南VDI 2230第一部分在2001年十月出版了德语版本,双语
版本的完成也被使用了,是为了更正一些小的错误和补充材料参数的资料。 双语版本并不包括2001年十月德语版本
的内容的根本变化。
指南VDI 2230第一部分“系统性的计算高强度螺栓连接—圆柱螺栓连接”是VDI委员会“螺栓连接”的合作努力
的结果。在此对委员会全体成员的义务劳动表示感谢,感谢他们的参与和提供专业知识表格和数据。
1 有效范围
本指南的条款适用于钢制高强度螺栓和高强度螺栓连接,(紧固螺纹带60°侧角),例如,强度等级8.8-12.9,或
者70、80和工作负载的摩擦传导。作为规则,工作负载包括静态或动态轴向负载(例如,动作方向与螺栓轴方向平
行)。此外,弯曲力矩和横向负载也会发生。
尺寸范围从M4-M39的数据也制成了表格。在低强度或者强度不同于DIN EN ISO 898-1标准,该指南也可以适用
于其它材料制成的类似螺栓,也适用于一些大尺寸的螺栓。
指南也适用于在内部表面的接触区域有限制尺寸的地方(尺寸G,参照5.1.2.2部分)。如果超过该限制值,将不
能适用,或者会发生大的计算错误。
基于表格A1-A4,A7,A11和A12的材料性质仅仅适用于室温,例如,必须根据它们的温度情况(较低和较高温
度)制定适当的误差,极端应力(例如,腐蚀)、突发和随机负载不适用。
该指南原则上不废除根据实验的和/或者数字(FEM,BEM)测试要求以证实计算结果。这也特别推荐给一些重
要的连接。
下列标准或者规范(选择)可在需要的时候查看:
DIN EN 1591-1 法兰和接头.带衬垫的环形法兰连接的设计规则.计算方法
DIN V ENV 1591-2 法兰及其接头
.带衬垫的圆形法兰接头的设计规则.第2部分:衬垫参数
DIN EN 28839 紧固零件的机械性能;有色金属制造的螺栓、螺钉、螺柱和螺母
DIN EN ISO 898-1 由碳素钢和合金钢制成的紧固零件的机械性能;第一部分:螺栓,螺钉和螺柱
ISO 898-2 紧固零件的机械性能;第二部分:有规定的检验载荷值的螺母;粗牙螺纹
DIN EN ISO 3506 耐蚀不锈钢紧固件的机械性能
DIN V ENV 1991 结构设计和作用原理
DIN V ENV 1993 钢结构设计
EN 1515 法兰及其连接件;螺栓连接
2 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
与以前版本的指南相比较,首先,根本的和总体的有效理论上的力的相互关系,螺栓连接的力矩和变形都有描
述。所知道的同轴和偏心夹紧螺栓连接的设计关系源于附加的螺栓负载通常有效关系的正确的简化。计算是基于假
设横截面保持平整。
在零部件的连接部分的夹紧或者变形件是非常重要的。该固体是描述成中空圆锥的平截头体,下面可以连到一
个中空气缸。变形固体的位置决定了夹紧(
sym
S
)的偏心和螺栓轴上的受力( a )。
4
与1986年7月的版本相比,有更多实质性的变化,具体如下:
• 载荷系数
n
由计算决定。
• 被连接件的回弹力
P
δ
应通过圆锥模型求取。
• 惯性力矩
Bers
I 的计算与夹紧件相关。
• 不同杨氏模量的被夹紧件螺栓事例。
• 不同的载荷因子
Φ 描述已经完成。
• 介绍了通用的符号规则,例如:
a ,
sym
S
, u 和 v 。
• 埋置的总数作为接合面数量和表面粗糙度的功能再次计算。
• 当计算螺纹孔深度时,要考虑螺纹误差,并使用剪切力方面的新知识。
• 不再包括螺栓头部高度计算。
• 横向载荷和剪切载荷的影响要关注更多的细节。
• 关于距离
a
的解释有详述。
• 考虑到迄今为止还没有使用预留量,螺栓强度可通过较高的装配预加载荷来更好地利用(屈服点的剪切应力
分布,扭应力的下降,超过弹性极限的拧紧强化)。
• 作为热载荷结果的预加载变化已经包括在内。
• 关于材料性质的详细情况已经有扩展。
• 交变强度的章节已经更新,另外也提供了关于疲劳强度的信息。螺栓螺纹直径的交变应力计算不再参照横截
面
3
d
A
,而是参照应力横截面
S
A 。
• 摩擦等级的系数表格里注明了摩擦值。
• 考虑到实际应用中发生的摩擦系数的扩散数量,拧紧因素的详细说明已经部分更正了。
• 非线性计算的近似值已经取消,对于开式连接(特殊情况),已经包括了简化和核准的近似方法。
• 至于其它机器部件的传统步骤相似方式,在计算中已经包括了安全性验证。
• 省略了可允许的额外的螺栓载荷试验。
• 另外的设计信息。
与2001年十月版本的不同之处在于:
• 根据DIN EN 1561和DIN EN 1563标准,更正了铸铁的机械特性,包括减少了剪切强度比例。
• 根据新的测试结果,改变了限制表面压力。
• 附加和更正了耐热钢材的特性.
• 介绍了内螺纹材料区域的杨氏模量
BI
E ,
本指南的部分内容仍然不包括外部载荷的判定。
3 载荷和变形条件.
螺栓连接是通过单个或多个螺栓连接两个或多个零部件的一个可分离的连接。它可以在连接的零部件之间以清
楚明确的位置从一个到另一个传递力和力矩。螺栓是根据要承受的会发生的工作负载设计,产生的连接功能可以完
成。在以下部分,首先,所有的计算方法都有描述,计算单个螺栓连接的方法,通常被用于多种功能和相关的使用
场合,已经得到更多解释,并形成了现有的指南。
3.1 可用的计算方法概述
为了计算螺栓连接,连接的结构必须简化,直到它符合一个可以计算的机械模型。力传输的知识必须事先准备。
根据该步骤,必须考虑到,由于这样理想的情形,只有连接件与实际条件的近似值才是可能的。根据适当费用,
5
与计算比较,实验的和数字的方法比实际条件有更好的表示。
我们所知道的机械模型可以根据周围的应用环境尺寸进行分类。下列分类描述不仅仅增加了计算方法的复杂性,
也增加了某些连接几何结构的近似值特殊性。
• 单轴的:单螺栓连接的机械力学(1)
• 双轴的:横梁连接(2)和(3)的机械力学。
• 三轴:板状连接(4)到(8)的机械力学。
在图 3.1/1,可能的计算近似值分配到了常见的连接几何结构。所有的连接实例原则上按照单螺栓连接模式计算。
据此,设计师可能会把一个复杂的、静态的、不确定的连接分成几个单螺栓连接。结果的质量将取决于精确度,根
据数量和分配所确定的部分载荷决定。在一些更加复杂的计算方法中,这样的问题不会发生,因为螺栓已经考虑在
更大的应用环境。
图 3.1/1 螺栓连接概要
3.2 单个螺栓连接计算,力和变形分析
单螺栓连接计算法则是基于螺栓轴的直接连接的弹性特性。在装配和工作情况下,这个区域影响变形和螺栓轴
的受力。
在单螺栓连接中的力和轴向变形可以根据简化的机械弹簧模型来描述。在这个模型中,螺栓和被连接件被看作
是带有回弹力
S
δ
和
P
δ
的张力和压力的弹簧,图 3.2/1。
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