MDESIGN螺栓模块经典案例展示：空心螺栓的连接设计验证

    在前两次推送中，我们通过一个简单的螺栓连接设计与可靠性验证的案例，了解与掌握了MDESIGN BOLT模块的各项功能与操作。在此次推送中，将通过一个传递横向扭矩的空心螺栓连接的案例，介绍MDESIGN BOLT模块中的自定义螺栓功能（非标准件）。 

我们先了解此案例的实际工况，并提取所需的工况信息。

此案例是通过螺栓将转轴与飞轮连接在一起，通过螺栓对被连接件的夹紧力产生摩擦力，进而传递横向扭矩，使飞轮同转轴一起转动。

由于实际工况所需要的载荷类型是扭矩，所以应在可能的情况下，尽量增加螺栓的外径，进而增加形成扭矩的力臂。出于上述的目的，针对此工况我们选择了空心螺栓，在增加螺栓外径的同时，并不过分增加螺栓的重量。

在此案例中，螺栓连接的各类参数已经设定好，我们只需对设计好的参数进行验证计算即可，不需要进行参数初选等预设计环节。

螺栓几何参数

螺栓头部承压面积最小外径：d_Wmin=36mm；

螺栓杆外径：d₀=24mm；

空心螺栓的空心内径：d_b=16mm；

螺栓的公称直径：d=27mm；

螺栓的节圆直径：d₂=25.7mm；

螺栓头部高度：k=10mm；

螺栓杆第二部分高度：l₂=7mm；

螺栓杆第三部分高度：l₃=7.5mm；

螺纹长度：l₄=20mm；

螺距：P=2mm；

转轴几何参数

转轴孔径的更大直径：D_hamax=30mm；

转轴与飞轮接触面处的直径：D_A=48mm；

转轴直径：D_W=50mm；

飞轮及垫圈几何参数

飞轮孔径：d_h=29mm；

垫圈孔径：d_ha=28mm；

垫圈厚度：h_s=1.5mm；

以上便是进行验证计算所需的全部工况信息。 

①选择计算方法–验证计算；

②选择夹紧方式（同心夹持、偏心夹持）；

③选择螺栓类型（盲孔螺钉连接、通孔螺栓连接）；

④选择螺栓连接类型（有无横向载荷）；

⑤选择被连接件的几何尺寸（被连接件在界面处的等效外径、被连接件的等效外径）；

针对此案例，“接合面等效外径”D_A为转轴与飞轮接触面处的直径，“接合面上面的等效外径”D_A’为飞轮的外径，“承载面更大内径”D_hamax为转轴孔径的更大直径。

⑥选择螺栓的几何尺寸；

此步骤即是本案例中着重强调的部分。由于采用了非标准件的空心螺栓，所以并不能直接从MDESIGN自带的螺栓数据库中选择螺栓参数，而是使用自定义螺栓参数功能。

首先，勾选自定义螺栓的尺寸，并选择螺栓的类型；

然后，根据设计好的螺栓参数，进行螺栓参数的输入；

⑦选择被连接件的力学参数与几何参数，以及垫圈的几何参数；

只需从软件自带的材料数据库中选择被连接件的材料种类，被连接件的力学参数便自动从数据库中提取出来。

针对此案例，被连接件1的厚度，即为飞轮的厚度7mm；被连接件2的厚度考虑到螺栓的剩余长度以及内螺纹的余量，选为50mm。

⑧选择外部载荷的参数；

由此案例的已知条件：

工作载荷主要为“绕螺栓轴的扭矩M_t”;

考虑到传递的扭矩主要由飞轮和转轴之间的摩擦力产生（不考虑螺栓头部、垫圈以及飞轮之间产生的摩擦力），故qF取值为1；

出于软件计算的需求，轴向载荷取值为1N；（若取值为0，软件会报错）

螺纹接触面的最小摩擦系数和螺栓头承载面的最小摩擦系数，以及被连接件之间的最小摩擦系数，由查表可知（VDI 2230标准中的表5与表6），选择分别选为μ_Gmin=0.12，μ_Tmin=0.1，μ_Kmin=0.1；

所承受的外部载荷为中心载荷，所以不采用偏心轴向载荷；

在此工况下，螺栓连接结果不承受工作弯矩；

此案例的拧紧工艺为扭力扳手拧紧法，由查表可知（VDI 2230标准中的表8），选择的拧紧系数为1.6；（也可以在软件中选择拧紧工艺，由软件自行判断拧紧系数）

⑨载荷导入因素的选取及其它影响因素的选择；

此案例的螺栓连接的工作温度为室温，即选为20℃；

工作条件不涉及密封，故不考虑密封所需要的内压；

此案例的载荷导入系数根据标准中的简化模型可知，不承受轴向载荷的螺钉连接的载荷导入系数取值为1。

此案例的装配预紧力未知，需计算，故不预设需用装配预紧力；

通常来说，对于扭矩扳手拧紧法，材料的屈服点利用率取为90%；

螺栓连接的最小有效啮合长度和疲劳强度范围内的交变应力可由软件计算出来，故不进行预设；

⑩选择螺栓的力学参数；

由于螺栓的强度等级和垫圈的材质已经选定，所以直接从软件自带的材料数据库中提取螺栓和垫圈的力学参数即可，如下图所示：

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更大装配预紧力；

⑵抗屈服安全系数SF=1.14＞1，满足抗屈服安全条件；

⑶抗压溃安全系数SpMK=2＞1，SpMU=3.14＞1，SpBK=2＞1，SpBU=3.14＞1，满足表面压强安全条件；

⑷现有啮合长度mvorh=20mm大于最小有效啮合长度mges=13.49mm，满足最小啮合条件；

⑸抗滑移安全系数SG=1.33＞1.2，满足抗滑移安全条件；

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，预先设计所确定的螺栓能够满足工况的使用条件，具有良好的可靠性。

附言：

此案例分享的重点在于MDESIGN BOLT模块中，自定义螺栓功能的展示。通过自定义螺栓功能，对案例中的空心螺栓连接进行了基于VDI2230标准的验证计算。实际使用中，除了空心螺栓，自定义螺栓功能还可以设计其它种类的非标准螺栓，如：缩颈螺栓、带有定心环的螺栓等。