螺栓預緊

本計算用于對螺栓連接進行幾何尺寸計算，並對螺栓連接在靜態或者周期循環載荷狀態下的螺柱及螺帽壓緊部分的預緊力進行校核，程序可以解決以下問題：

1. 自動對螺栓連接進行標准化設計；
2. 特殊螺杆連接的計算及校核；
3. 連接所需的裝配預緊力及緊固扭矩設計及計算；
4. 某承擔負載的連接的受力條件計算；
5. 靜態和動態強度校核；
6. 根據ISO，SAE和ASTM標准的螺栓常用材料表及根據AISI/SAE，DIN，BS，AF和其他標准的連接部分材料選擇；
7. 二維CAD系統支持。

本計算使用的數據，程序，算法來自專業資料及標准ANSI，ISO，DIN。
標准列表： ANSI B1.1, ANSI 273, ANSI B18.2.1, ANSI B18.2.2, ANSI B18.3, ANSI B18.6.2, ANSI B18.6.3, ANSI B18.22.1, ISO 273, ISO 1207, ISO 4016, ISO 4032, ISO 4035, ISO 4762, ISO 8738, VDI 2230

控制結構及語法

相關控制結構與語法部分的內容請查看 "控制結構與語法"。

項目信息

本項目的相關信息請查看 "項目信息"。

計算過程

在實際應用中，大部分螺栓和螺紋連接都需要進行預緊，其在裝配過程中將産生內部軸向力（裝配預緊），可以使得連接材料的表面連接在一起。

設計結構的連接處必須緊密連接，在此過程中將産生預緊力。螺栓連接的預緊力大小包含兩個基本功能：當載荷作用域連接工件平面時，預緊力可以産生摩擦力以抵消剪應力；當載荷作用于螺栓軸向時抵消壓應力或者拉應力。

根據以上所述，完整的螺栓連接設計包含以下步驟：

• 選擇合適的螺栓連接
• 計算必須的預緊力
• 設計連接的強度校核

建議您在設計及校核過程中按照以下步驟：

1. 在段[1]中選擇連接類型，載荷的形式和大小；
2. 設置必要的連接工作參數和裝配參數；[2.1 - 2.13]
3. 設置螺栓軸向載荷的作用系數 [2.15]；
4. 對于承受動態載荷的連接，選擇螺紋類型，設計使用壽命，連接的穩定性及安全系數；[2.19 - 2.22]
5. 設置設計方法，連接部件的材料和尺寸； [3]
6. 選擇螺栓材料[4.3]和螺紋類型[4.10]；螺紋的最小直徑的推薦列表可以用以參考。 [4.1]
7. 點擊行[4.11]中的按鈕進行螺紋尺寸設計；
8. 如果設計使用非標准螺栓，在段中進行幾何定義；[4.16]
9. 同樣，如果您打算使用不同于六角螺母或者圓柱螺母或者球形座位表面， 您可以修改節[4.23]中的連接幾何尺寸；
10. 在節[5]中檢查螺栓的受力條件或修改裝配預緊力的大小[5.12]；
11. 在節[6]中對結果進行強度校核，如果校驗結果不合適，請試著增加螺紋尺寸[4.11]或修改節[4.16, 4.23]中的參數；
12. 以新的文件名保存當前設計方案。

備注：本計算用于單個螺栓連接設計。如果需要進行多螺栓設計，首先根據一般原理定義每個螺栓上的最大載荷，然後根據以上的計算過程對每個螺栓連接進行設計。

連接載荷及計算的基本參數 [1]

本段中要求輸入基本輸入參數，載荷的性質、方式及數量，連接的類型等。

1.1 計算單位

請在列表中選擇所使用的計算單位，所有的數據將自動進行轉換。

1.3 螺栓連接設計

根據結構的不同，一般有兩種基本的螺栓連接設計：

1. 使用螺釘的螺栓連接；
2. 使用螺栓的螺栓連接。

在列表中選擇設計連接的類型。

1.4 螺栓連接的載荷

根據載荷的不同，經過預緊的螺栓連接必須滿足不同的需求，因此在計算裝配預緊力時也需要不同的方法，下面是三種用于螺栓連接的不同方法：

1. 載荷平行于螺栓軸向
   螺栓連接具有軸向載荷F_a，裝配預緊力滿足了接觸面的緊密性要求，更精確的說，是工作狀態下的緊密連接。連接預緊力必須能夠滿足在加載工作受力或其他力的情況下保證接觸面之間緊密接觸；
2. 載荷垂直于螺栓軸向
   螺栓連接還受到連接部分的徑向力F_r，裝配預緊力産生的摩擦力與剪力相平衡，因此剪力可以用此時預緊力産生的摩擦力來計算；
3. 組合載荷
   組合載荷方式下，必須考慮接觸面的緊密性要求及剪力載荷。

從列表中選擇所需的載荷形式，計算將自動的根據形式進行參數調整（所有跟當前選定類型無關的參數將自動隱藏）。

1.5 載荷形式

用戶可以在列表中選擇作用來連接上的載荷類型，螺栓連接可以在以下載荷類型中使用：

1. 平穩（靜態）
2. 節律
3. 反複
4. 不對稱脈沖
5. 脈沖

當連接在周期載荷作用下時（圖中B到E），需要對其疲勞強度進行額外校驗。

從選擇列表中選擇載荷的設計過程，程序將根據選定的載荷類型修改配置，當前類型無效的參數將被隱藏。

備注：對于作用于連接工件平面外的徑向載荷，載荷的類型參數對于計算不産生影響。練級的尺寸根據徑向載荷的最大值決定。對于動態載荷，建議使用更高的抗偏系數，見行[2.2]。

1.6 螺栓連接載荷

本行中輸入螺栓連接的作用力。在行[1.7]輸入靜態軸向載荷或者動態載荷幅度範圍的最大值。在行[1.8]中輸入動態載荷幅度範圍的最小值。行[1.9]用于輸入徑向載荷，不過通常用于輸入力的最大值。

警告：載荷的輸入區域可以依照行[1.4，1.5]中的載荷模式的設置。

螺栓連接的工作及裝配參數 [2]

本段種用于設計不同的工作和裝配系數，以確定螺栓連接的預緊。

2.1 連接設計預緊系數

對于內聚部件接觸表面和連接部件的固定位置將産生正確的預緊力。緊密性要求根據連接的緊密性確定，接觸表面的預緊力由操作過程中保證連接的密封性決定。

該系數用于連接的壓應力或拉應力設計；並給出了工件預緊力與最大工作載荷之間的載荷。該系數的設定將影響螺栓連接預緊力的設計大小。通常根據以下情況選擇極限值：

連接的緊密性要求

連接的堅固性要求 (變動載荷或者危險密封狀態下使用更高值)

備注：本系數對于螺栓徑向載荷不起作用。

2.2 防止側移安全系數

對于連接工件平面合適的連接設計，整個徑向載荷必須使用連接工件中的摩擦力來抵消。該安全系數是連接實際剩余預緊力與用于抵消徑向載荷的最小力的比值。爲了滿足剪應力，安全系數必須高于1，實際上根據工作技術特性和工件表面理論摩擦系數的近似值，該安全系數的範圍一般爲1.5到3。在變動載荷情況下選擇更高值，對于混合載荷（見[1.4]）或者沖擊載荷，建議使用更高的安全水平。

備注：該系數對于軸向載荷不起作用。

2.3 螺栓屈服點的設計安全系數

所選材料螺栓的屈服點的最小允許比率以及螺栓型心內的最大對比應力。連接螺栓屈服點的安全下限通常選擇參考負載類別，連接重要性，産品質量，工作條件以及計算精度，在1.5到3的範圍內。下限值選擇用于承載靜態負載的連接，上限值用于承載動態負載連接。對于重要連接，沖擊負載連接，工作于腐蝕條件或高工作溫度下的連接，常常選擇更高的安全值(3 ... 6)。設置安全系數的常規流程可以在 “安全系數”文件中找到。

警告：如果計算沒有考慮任何附加彎應力[2.7]、工作溫度[2.9]，雖然這些實際作用著，建議您在螺栓設計時提高安全水平。

2.4 螺紋摩擦系數

螺紋摩擦系數根據材料，粗糙度，表面處理和螺旋角決定。螺紋摩擦系數的參考值見下面的表，對于平螺紋，摩擦系數通常更小。

無潤滑螺紋(沒有專門潤滑但是不脫脂)

潤滑螺紋

2.5 螺栓頭（螺母）接觸摩擦系數

螺栓頭部（螺母）的摩擦系數的大小取決于螺母和鎖定零件材料，粗糙度，表面處理和潤滑劑。下表列出了螺栓（螺母）不同材料的摩擦系數導向值。

2.6 接觸面摩擦系數

連接表面的摩擦系數大小取決于連接零件的材料，粗糙度，表面處理和連接表面的脫脂。參考以下導向值

2.7 螺栓的附加彎矩載荷

由于螺栓頭部或螺母在安裝表面不均勻組裝而産生的額外彎曲應力。彎曲應力通常由于加工錯誤（安裝表面不平行，不垂直于螺栓軸線）或由于負載下鎖緊零件變形所致。彎曲應力可能幾倍于螺栓型心的拉伸應力同時常導致螺栓的螺紋破損。額外彎曲應力總是非常危險的，遠至螺栓的強度（動態負載下尤爲明顯）必須通過小心加工表面或使用墊圈，墊片來阻止。彎曲應力的大小可以通過減小連接螺栓的軸徑或增加其長度來減小。

彎曲應力的大小取決于螺栓頭部安裝面與軸線垂直面的角度偏移[2.8]。從精度工程角度，最大允許角度偏移爲δ=5'

備注：如果你不想在計算中含可能的彎曲應力影響，推薦增加屈服點[2.3]安全值50%

2.9 工作溫度對連接預緊的影響

如果連接零件和螺栓由相同熱膨脹系數的材料制造而成，相同溫度下連接的所有零件的加熱對連接中的受力無明顯影響。

但是，一些螺栓連接會出現被加熱的零件很難熱傳遞到螺栓，因此螺栓溫度低于臨近零件。這會增加連接的工作預緊力以及螺栓負載增加。如果螺栓和連接零件爲不同的熱膨脹系數也會導致工作預緊力變化。在這些情況中，正確的設計必須計算工作溫度的影響。

備注：如果你決定計入工作溫度的可能性影響，連接組裝的預應力[5.12] 將參考連接加熱到工作溫度下的變化來設計。否則，推薦使用更高的安全等級 [2.3]補償連接中增加的工作預應力。

警告：軟件不會處理工作溫度對材料強度的影響。但是，實際工作中，較高的溫度下強度減小；這將導致螺栓失效。溫度效果在循環負載中是非常明顯的。必須在決定目標安全系數[2.3, 2.22]中計入此影響。

2.12 使用連接的永久變形（裝配）來減小組裝預應力。

確定的永久連接變形發生在工作中的預壓螺栓中。這個連接的“裝配“通過例如螺栓或螺帽的壓入，連接零件接觸面壓入和密封插入，螺栓的永久延長等等。變形可能導致工作中連接的預壓力的緩慢減小同時也會導致連接可能性泄漏或不並緊。

下表給出了鎖緊零件（包括螺紋）的永久壓入的導向值，單位： [mm]（括號內的數值單位是[in]）

連接的拉應力/壓應力

連接的剪應力

備注：如果你決定計算中不考慮“裝配“德可能效果，推薦設計螺栓連接使用更高的預應力系數 [2.1]，增加50%到80% 。

2.14 安裝工作系數

外部軸向負載的輸入位置不總是必須放置在螺栓和螺帽的下方支撐面上。相反地，軸向力常常存在于鎖緊零件內部。作用力執行的因數給出了一個比率，作用力實際作用點距離和鎖緊零件總高度的比值。考慮到可能的極限條件，比率範圍[0...1]。這個比率將很明顯地影響連接螺栓和鎖緊零件間的作用力負載分配以及連接必需組裝預應力的總數。

作用力執行因數-極限條件

同時，一些連接的作用力的作用點位置是十分明顯的，這些位置比起其他連接更易感知同時其精確定義將會十分困難。實際中可以找到兩個極限條件，可作爲確定的方針。如果從連接的幾何位置上看作用力的執行系數的定義不明顯，預示n=0.5爲過渡螺栓連接，n=0.75...0.25爲柱頭螺栓設計。

凸緣連接作用力執行系數的定義

根據VDI 2230下表給出了更爲精確的作用力執行因數值：

各個尺寸含義和設計類型定義在下面的圖表中：

備注：作用力執行參數可以在計算中用兩種方式描述。第一種方式輸入作用力的執行系數[2.15]；其二，輸入准確的作用力點位置[2.16, 2.17]。定義的方式通過設置各自行中的開關設置。兩種方式對于計算都是相同的，但是，第二中方法對于更多不同材料零件的連接給出更加准的結果。

2.19 螺紋設計

螺紋産品的計算方法明顯地影響連接螺栓的疲勞強度。至于疲勞負載，切削螺紋給出最差結果。

推薦：如果你不知道螺紋的生産方法，選擇切削螺紋。

2.20 上千次的循環連接的目標壽命

對于重複性負載的螺栓連接我們可以劃分爲兩類疲勞負載。第一個區域爲有限壽命連接（低于10⁶工作循環）螺栓的疲勞強度隨著工作循環數的增加而減少。在無限壽命區域(大于10⁶工作循環）材料的疲勞極限以及螺栓連接的強度保持近似常量。

2.21 所需的連接可靠性

可靠性系數，理論上，是工作壽命的百分比值以及表現爲連接無問題工作的概率。在機械工程領域，可靠性通常設置爲80%到99.9%。高于99.9%僅適用于非常重要的設備，那些失效會導致人生安全或材料損失。對于常規螺栓連接承載動態負載，可靠性值通常選擇95到99.5%之間。

2.22 所需動態（疲勞）安全系數

必須檢查動態負載下的螺栓疲勞強度。螺栓連接的可能性疲勞破環抵抗被視爲結果動態安全系數。這個安全等級是由兩個局部安全等級組成。其一爲自身的“動態“安全，考慮到螺栓在變化的拉伸應力下的位置；另一安全等級是螺栓組裝預應力而産生的永久剪切應力。

考慮到輸入數據的精確度和可信性，連接的結構設計，負載特性和産品質量以及工作條件，通常選擇動態安全範圍1.5 ... 2.5。下表給出的安全值推薦用于無腐蝕環境在100°C工作條件下的連接。

動態負載連接設計的結構法則在章節”螺栓連接失效原因，增加螺栓負載空間”中給出。

備注 1:對于連接額外彎曲應力出現（查看[2.7]），需要更高的安全數值 (2 ... 3)。

備注2 ：充分的更高的安全數值適用于承載沖擊，使用于腐蝕環境或高溫下的連接。

連接部分設計、尺寸及材料. [3]

計算允許使用者設計一個由最多5個不同材料組成的預應力螺栓連接。本節用于連接零件材料選擇和幾何描述。

3.1 連接部分設計

在預應力螺栓連接中必須知道連接零件的硬度來定義力條件。計算硬度時，連接設計可以分爲兩個基本模型：

1. 片連接
   鎖定零件爲片狀大的橫截面尺寸區域承載應力（近似削去端部的圓錐體）無邊緣極限。硬度總數僅取決于材料和鎖定零件的總高度。
2. 後壁圓柱體連接
   連接零件沒有大的橫截面來制造“壓力圓錐“而無任何邊緣極限。承載應力的區域是鎖定零件外壁的部分或全部的邊界。

所有這些情況，確切簡化，由虛擬的擁有足夠外徑的厚壁圓柱體替代。鎖定零件的硬度總數除其它條件之外取決于，外徑。

3.2 夾緊部分數量

在選擇列表中設置鎖緊零件數。在表格[3.5]中定義他們的尺寸。

3.4 夾緊部分總高度

鎖定零件的總高度被視爲螺栓頭部到螺母的距離。如果連接中包含墊圈，必須計入墊圈的厚度到總的鎖緊高度中。

3.5連接部分材料及高度

在表格中輸入鎖緊零件的高度和材料。連接零件從螺栓頭部接連地安排在表格中。

表中各參數的含義：

表格前五行是使用者定義材料。適合材料的信息和設置可以在文件"工作表（計算）修改"中找到。

備注1：如果連接中包含墊圈，必須計入墊圈的厚度到總的鎖緊高度中。

備注2 ： 如果墊圈材料的彈性模量不同于鎖定零件的材料同時其厚度大于總厚度的10%，推薦在計算中定義墊圈爲一個獨立的零件。

螺栓連接設計 [4]

本節可以用于爲以上定義的設計選擇螺栓材料，適合尺寸設計以及螺栓連接預應力負載。連接螺栓可以手動設計，或通過點擊行[4.11]中按鍵使用自動設計功能。

備注：自動設計功能僅適用于標准螺紋（查看[4.9]）

4.1 最小螺杆尺寸初步設計

表格中計算的螺紋最小直徑取決于螺栓材料的各種組合以及螺紋類別。表中每一列是定義的螺栓材料，每一行是定義的螺紋。各個螺栓的強度等級依據“材料“標中定義的標准選擇。螺紋類別的使用定義有如下含義：

備注：表格中定義的最小螺紋直徑僅爲導向值，設計考慮連接的最小安全，不考慮行[2.3，2.22]中定義的目標安全系數。

4.2 螺栓材料

連接螺栓材料可以在行[4.3]中的彈出列表中選擇。表格“推薦螺紋直徑“[4.1] 可以用于選擇適合材料的導向。列表前五行用于使用者定義材料。設置適合材料的信息可以在文件"工作表（計算）修改"中找到。列表其他行包括依據“材料“工作表定義標准選擇材料。

4.9 螺杆參數

本節用于連接螺栓螺紋尺寸和類別的選擇。在列表[4.10]中選擇螺紋類別。列表前五項用于標准螺紋。爲選定的螺紋類別[4.11]選擇螺紋目標中心尺寸。其他必需的螺紋尺寸[4.12 到4.15]根據標准自動計算。對于螺紋的適合尺寸設計你可以使用“設計”按鍵[4.11]來自動設計連接螺栓。

4.11 螺栓連接自動設計

自動設計可以通過點擊“設計“按鍵[4.11]而進行。對于自動設計，對于選定材料[4.3]的螺栓最小尺寸，螺紋類別[4.11]選定，因此所需的連接功能已保證同時螺栓符合考慮強度要求[2.22]下的安全等級[2.3]的規格。軟件提供一個設計僅爲內部圓形接觸面[4.24]恒定直徑（查看[4.16]）的棱柱形螺栓。另外，設計也會自動産出螺栓頭部安裝尺寸和連接螺栓安裝孔的尺寸（查看[4.23]）。如果軟件搜索不到適合的螺栓，會跳出警告信息。

最常見的不合理設計原因和其解決方案：

• 連接負載過高：
  方案-連接輸入負載總量[1.6]可以設計更多螺栓而減小（查看章節“螺栓區域計算“）
• 連接螺栓負載空間過低:
  [4.2]. 方案-使用更高負載空間的螺栓材料。
• 螺栓的額外彎曲負載過高:
  方案-適當的修改連接結構（查看[2.7]）
• 由于連接工作溫度的增加帶來工作預應力的增加:
  方案-適當地修改結構，例如：
  - 保證螺栓和連接零件相同的加熱。
  -通過減小螺栓杆直徑或增加一個螺帽與連接零件之間的空間管來增加連接的彈性柔韌性。
  - 使用高強度螺栓

備注：自動設計功能僅用于標准螺紋（查看[4.9]）

警告：如果使用螺栓自動設計，根據以上提到的法則數據預設在章節[4.16，4.23]中。

4.16 螺栓幾何尺寸設計

從技術和結構角度，使用特殊螺栓來代替幾個擁有不同截面的通用棱柱形螺栓，有時候是適合的。例如，出于精度連接需求使用配合螺栓或使用縮短的杆來減小額外彎曲拉伸應力的影響。特殊處理的柔韌螺栓也會頻繁用于承載動態負載的連接。

本節可以用于定義這些特殊螺栓。螺栓中不同橫截面數輸入在行[4.18]中，詳細的截面長度和直徑定義在行[4.21，4.22]中。各個截面從螺帽開始以遞增的順序排列。

4.23 連接的相關尺寸

本節可以用于設置螺栓頭部（螺帽）安裝表面的形狀和尺寸以及定義連接螺栓孔德尺寸。當行[4.24]中的檢查標記啓動，所有必須尺寸根據下面的法則自動設置：

• 連接螺栓孔徑 [4.25] 對于常規棱柱螺栓以及確定的螺紋[4.22]，選擇螺栓孔的標准最小允許直徑。對于配合螺栓，孔徑與行[4.22]預設的螺栓杆最大直徑一致。
• 安裝面（接觸面）外徑 [4.26] - 根據行[4.9]中選擇的螺紋尺寸以常規標准的六角螺栓來預設直徑。
• 安裝面（接觸面）內徑 [4.27] - 直徑與預設最常用設計孔徑一致。

如果你想爲以上提到的尺寸輸入自己定義的尺寸，首先必須禁止行[4.24]中檢查框。

4.24 螺栓頭部（螺帽）安裝面設計

對于螺栓連接，三種基本螺栓頭部（螺帽）安裝面基本設計被使用。

1. 環形安裝面。
   最常見和自然的接觸。不同螺帽，安裝面垂直于螺栓中軸。
2. 圓錐形安裝面。
   特殊螺栓連接適用于中心精確定位。需要特殊圓錐螺帽以及圓錐安裝孔，加強更高的加工精度要求。
3. 球形安裝面
   殊連接使用于安裝面垂直于螺栓中軸同時增強額外彎曲負載。需要特殊球形螺帽和球形安裝孔。需要較高的加工科技。

備注：各個設計各不相同，最重要的是技術和使用區域。對于預應力螺栓連接設計，各種接觸面設計對于計算本身無垂直度影響，僅在螺栓頭部（螺帽）下部的摩擦力矩有所不同，增大鎖緊力。

連接預應力，受力條件和工作圖表. [5]

本節中你可以找到設計預應力螺栓連接的受力條件。連接硬度常量在第一章節[5.1]中首先被計算。一旦常量被計算出來，連接的必須組裝預應力和相應的鎖緊力矩在第二章節中設計[5.6]。全負載螺栓連接的受力條件在最後一章節[5.14]中被計算出。受力條件在章節的下部圖表中顯示。

5.1 連接的硬度常量。

硬度常量與連接中的軸向力和軸向力導致的各個零件的變形成線性關系。常量被視爲預應力螺栓連接受力變形的導向數據。連接螺栓和鎖緊零件之間的外部軸向力的劃分定義取決于結果硬度的比率[5.4，5.5]。結果硬度定義使用硬度[4.1，5.2]取決于所選作用力[2.14]的執行因數。

5.12 連接組裝預應力。

“正確“組裝預應力的定義是預應力螺栓連接的主要任務之一。一個有效組裝預應力值對連接的正確功能起決定性影響。同時，這也會影響到連接螺栓中的作用力，以及螺栓破壞的安全等級。組裝預應力必須設計確保軸向負載下連接的緊密和牢固需求，連接零件表面負載下的剪切負載空間需求。

組裝預應力可以手動設計或自動設計。自動設計可以通過啓動輸入區域右側的檢查框來執行。程序將提供符合以上提到的緊固需求或剪切負載空間的要求下的最小預應力設計。如果預應力系數[5.20]高于或等于目標數值[2.1]，連接緊密的條件被履行。爲了履行連接剪切負載空間條件，防止側變形安全系數[5.21]必須大于或等于目標安全等級[2.2]。

連接的組裝圖表

在連接的鎖緊（預應力）過程中，螺栓拉長的同時，鎖緊零件被壓縮。螺栓變形和鎖定零件之間的比率由他們各自硬度比率給出。連接中的軸向作用力執行後，鎖緊零件負載減小同時連接螺栓負載增加。出于強度負載檢查的目的，必須定義螺栓中的最大內部軸向力。連接的組裝圖表用于此目的。

連接的組裝圖表爲已知預應力和硬度值而編譯。連接螺栓和鎖定零件之間的外部軸向力劃分由此圖表定義。

含義：

F₀ - 連接的組裝預應力

Delta L₁ - 由于組裝預應力而産生的螺栓變形（拉伸）

Delta L₂ - 由于組裝預應力而産生的鎖定零件的變形(壓縮)

c₁ = tg y₁ t螺栓的硬度常量

c₂ = tg y₂ -鎖定零件的硬度常量.

F_a - 最大作用軸向力負載

Delta F₁ - 負載于螺栓的額外作用力的軸向零件

Delta F₂ - 加載于鎖定零件作用力的軸向零件

F₁ - 螺栓中的最大內部軸向力

F₂ - 連接的鎖定零件的殘余預應力.

給出的圖表編譯爲假想外部軸向負載輸入點爲鎖定長度的尾部，螺栓頭部和螺母的安裝表面。但是，實際軸向力通常作用在鎖定零件的內部（查看作用力執行因數[2.14]）。這將導致負載和連接緩沖零件之間的硬度比率改變，因而角度ψ1 ψ2變化。

5.20連接緊度（預應力）系數

系數給出連接鎖定零件的殘余預應力[5.18]和最大軸向作用力[5.7]之間的比率。詳細信息可以在[2.1]中找到。

備注：連接緊密度系數對于僅承載徑向力的連接無意義。

5.21 側變形安全系數

此安全系數給出連接實際殘余預應力[5.18]和最小鎖緊力（理論計算值）[5.9]之間的比率詳細信息可以在[2.2]中找到。

備注：這個安全系數對僅承載軸向力的連接無意義。

連接強度檢查. [6]

本節給出螺栓連接基本強度檢查的結果。

6.1 靜態負載螺栓連接強度檢查。

強度檢查通過比較螺栓型心中的結果等效應力[6.5]和螺栓材料的屈服點[6.6]而實施。結果等效應力計算于螺栓最薄零件（棱柱螺栓，小直徑螺紋在削弱的軸和柔韌的螺栓中）。

等效應力計算公式如下：

其中：

σ- 最大軸向力下螺栓型心的拉伸應力

σ_b - 額外折彎應力

t - 固定扭轉力矩在螺栓型心中的扭力

如果設計的螺栓必須符合強度檢查的所有需求，結果安全等級[6.7]必須大于或等于設計安全等級[2.3]。

6.8 螺栓頭部在安裝表面的應力檢查。

如果設計螺栓連接必須符合檢查的規格，安裝表面的應力[6.9]則必須低于在邊緣連接零件[6.10]中的允許應力。如果設計連接不符合這個規格，修改設計直到螺栓頭部（螺母）安裝表面加大。

6.11 動態負載螺栓連接強度檢查。

承載變化負載的螺栓連接必須檢查疲勞強度。疲勞破壞通常出現在螺栓應力集中的地方（裝備切口的地方），最常見的是在第一個負載螺紋界面上。

連接螺栓的疲勞破壞抵抗考慮以動態安全結果系數[6.22]爲基礎。安全等級由兩部分組成。第一個代表了在拉伸[6.20]中的自身“動態安全”，另一個代表了由于組裝預應力而産生的恒定剪切力[6.21]對應的安全等級。部分疲勞安全[6.20]計算螺栓的位置考慮變化拉伸應力，以極限循環σ_A和工作循環σ_a的應力振幅零件之間的比率定義。

定義連接的動態安全流程和行[6.12 .. 6.19]的含義在下面的圖解中：

承載重複或交替作用力的連接的工作圖表：

含義：

F - 連接中最大軸向力負載

F₀ - 預應力

F₁ - 螺栓最大內部軸向力

F₂ - 鎖定零件的最小殘余預應力

F_m -循環的中度軸向力

F_a - 循環軸向力的振幅

減小的Smith疲勞圖表

含義：

S_y - t螺栓材料的屈服點

σ_f - 疲勞極限

σ₀ - 連接預應力産生的螺紋內部應力

σ_A - 對于給定負載過程螺栓極限疲勞強度的振幅部分

σ_m - 螺紋內部工作循環的中度應力

σ_a - 在螺紋內部工作循環應力的振幅部分

同樣的在動態負載連接中，設計螺栓必須符合最大軸向力[6.1]負載屈服點的“靜態”檢查需求。

警告：該強度檢查不計入任何額外折彎應力效果(查看[2.7]).折彎會嚴重影響到螺栓的疲勞強度。因此，必須特別地在變化負載下地螺栓中通過使用適合的結構修改來盡量減小折彎應力的産生，或者在連接的動態安全計算中加入其計算。

6.16 給定螺栓材料的基本拉伸疲勞極限

理論地計算光滑圓棒，圓徑選定材料螺栓的拉伸疲勞極限，該螺栓負載于交替的軸向負載。

6.17 給定螺栓的糾正的拉伸疲勞極限。

設計螺栓的拉伸疲勞極限。參考選擇的螺紋設計[2.19]，螺紋的類別和尺寸[4.9]以及需要的連接可靠性，基本疲勞極限[6.16]的修正值。

6.18 極限壽命拉伸疲勞強度極限。

對于連接的目標壽命下設計的螺栓的拉伸疲勞極限。[2.20] 對于無限壽命的要求是疲勞極限[6.17]。

圖形輸出及CAD系統

關于二維繪圖及三維建模的相關信息請查看文檔“圖形輸出及CAD系統”。

附錄－計算：

爲了繪制螺栓連接必須設置在此章節中一些沒有在連接計算中定義的細節。

7.2 螺栓頭部設計

在選擇表中選擇各個螺栓頭部設計。軟件提供四種基本螺栓頭部設計。但是，參考常規的螺栓生産尺寸，由于一些螺紋直徑不可能使用所有類別。選擇的頭部尺寸定義使用選擇的螺紋的類別和直徑[4.10,4.11]根據以下標准：ANSI B18.2.1, ANSI B18.3, ANSI B18.6.2, ANSI B18.6.3, ISO 1207, ISO 4016, ISO 4762。

備注：這個設定對于未在行[4.17]中設定的螺栓類別無意義。

7.3 螺帽設計。

在選擇表中選擇相應的螺帽設計。軟件提供2個六邊形螺帽設計。選擇的螺帽尺寸定義使用選擇的螺紋的類別和直徑[4.10,4.11]根據以下標准：ANSI B18.2.2, ISO 4032, ISO 4035。

備注：這個設定對雙頭螺栓無意義（查看行[1.3,4.17]的設定）。

7.4 螺栓頭部下的墊片數量。

在選擇列表中，定義墊片數量。如果圖面必須包括無墊片連接，選擇“0”。墊片尺寸定義使用選擇的螺紋的類別和直徑[4.10,4.11]根據以下標准：ANSI B18.22.1, ISO 8738.

7.5 螺帽下的墊片數量。

在選擇列表中，定義螺帽下的墊片數量。如果圖面必須包括無墊片連接，選擇“0”。墊片尺寸定義使用選擇的螺紋的類別和直徑[4.10,4.11]根據以下標准：ANSI B18.22.1, ISO 8738.

備注：此設定對雙頭螺栓無意義（查看行[1.3]）

螺栓連接失效原因，增加螺栓負載空間.

最常見的螺栓連接失效原因和其修正

• 不正確的外力作用和實際信息
  方案－增加安全等級
• 由于螺栓和螺帽的形狀及位置偏差帶來的額外彎曲應力。
  方案－彎曲負載可以通過使用球墊圈消除，更長螺栓，增加軸，減小直徑以及平行加工連接表面。
• 螺栓和連接零件受熱延長或塑性變形導致預應力損失。
  方案－使用高強度韌性螺栓。不使用軟墊圈， 較硬的墊圈可以盡量的消除安裝預應力。
• 由于震動自然松動。
  方案－ 使用形狀墊圈做安全保護。
• 電，化學腐蝕
  方案－適合的材料選擇以及表面處理。
• 承載動態負載的連接螺栓破壞

  方案－適合的技術和機構修正來增加螺栓負載空間（在下面章節有詳細描述）

技術和結構修正來增加螺栓的負載空間

疲勞破壞出現在零件承載動態負載，通常在應力集中點（在裝配凹槽處），雖然公稱應力低于強度極限。統計顯示評估的標准螺栓總數，65％在首個負載螺紋上破壞，20％螺紋運行破壞，15％在軸與螺栓頭部接合處破壞。以上提到的疲勞破壞頻率分布等級顯示一些明顯的點需要被計入動態負載連接設計重。

連接的結構修正：

• 使用韌性螺栓代替普通標准螺栓。
  考慮到應力的振幅因數減小，推薦設計連接爲高硬度比率c₂/c₁。因而螺栓必須彈性很好同時連接零件的硬度要越高越好。通過減小直徑或在軸上鑽孔或延長軸來修正韌性螺栓，

• 使用牽引螺帽或缺口螺帽
  分配到螺紋間的應力增加同時首個負載螺紋緩解。

• 實現首個負載螺栓的螺紋轉移到減小的軸和螺帽螺紋重疊面上。
  首個螺紋負載緩解同時螺紋的缺口效應減小。

• 通過減小直徑的軸和圓整過渡來減小工作螺紋的有效應力集中應力
• 增加從螺栓頭部到軸的過渡角度
• 如果可以，不使用細螺紋
• 如果可以，不使用大直徑螺栓。推薦使用兩個更小的螺栓代替大的螺栓。
  
• 適合的雙頭螺栓連接結構設計。推薦在通孔中設計重疊螺紋螺栓連接。如果是盲孔，最好使用雙頭螺栓螺帽代替常規的螺栓。

連接的技術修正：

• 使用圓柱形螺紋代替锉刀紋
• 螺紋底部壓延
• 冷成型材料硬化
• 螺紋化學熱學處理，氮化，磷化。

螺栓組計算.

螺栓連接常常不會單獨出現，但是在組合重，它們提供額外力的組合轉移。由于技術原因組合大多數包含的螺栓爲相同直徑，以矩形和圓形排列。這些組合連接的方案基于一個螺栓的最大負載而定，然後根據上面提高的流程設計一個獨立螺栓連接。

這裏也給出常用的幾個基本螺栓組合方案流程（符號“n"在公式重表示連接重的螺栓數）

連接負載爲垂直于接觸面在連接重心而産生的力

額外力均勻分布在連接的各個螺栓上。

軸向負載落在一個螺栓上：

組合連接設計爲獨立的承載軸向力F_ai的螺栓連接。

連接負載爲通過連接重心而與接觸面成一角度的力

額外力分解爲垂直與接觸面的 F_a和平行與接觸面的F_r，連接螺栓均勻負載，因此：

落在一個螺栓上的軸向力：

一個螺栓上的徑向力：

組合連接設計爲一個獨立螺栓連接綜合軸向力F_ai 和橫向力 F_ri。

連接負載爲方向與接觸面成一角度，不通過連接重心的力

外力可分解爲垂直于接觸面的F_a和平行于接觸面的 F_r，且作用于連接重心：

同時，也在重心處産生一力矩：

基本板左側邊緣處産生最小應力：

例如一個方形接觸面”A"，截面模量“W"定義如下：

其中：

a - 連接長度

b - 連接寬度

當設計一個連接的時候，同樣必須定義作用在一個螺栓上的局部力。

螺栓上的軸向力來自力 F_a

來自力矩M的軸向力

來自力矩M的最大軸向力：

總軸向左右力

來自F_r的徑向力

組合連接設計爲一個獨立的螺栓連接承載綜合了軸向力 F_amax和橫向力 F_ri。同時需要檢查設計連接預應力[5.17]參考于最小必須預應力 F_0min。

連接負載爲連接表面上通過重心的力。

額外力均勻分布在連接的所有螺栓中

落在一個螺栓上的徑向力：

組合連接設計爲一個獨立的承載橫向力 F_ri的連接。

連接負載爲連接表面上的力矩

如果圓形法蘭承載扭轉力矩，則各個螺栓將均勻承載徑向力：

組合連接設計爲一個承載橫向力 F_ri的獨立螺栓連接。

連接負載爲連接表面上通過重心的力和一力矩。

在連接重心的橫向力均勻分布在所有螺栓上：

扭轉力矩帶來各個獨立螺栓一個徑向力

作用于螺栓上的合力爲各分力的矢量和 F_ri, F_Mi.組合連接進一步設計爲承載最大橫向力 F_rmax的獨立螺栓連接。

設置及語言選項

關于計算參數設置及語言選擇請查看 "設置及語言選項"。

工作簿修改 (計算)

關于計算修改或擴展的相關內容請查看 "工作簿修改"。