連載三（完結篇） l 螺紋連接計算，Screw-Designer Professional可以做更好

從圖2可以清楚地看出，緊固預緊力Fp0min和Fp0max在整個使用壽命期間不是恒定的。為了彌補這一點，在運行期間必須考慮兩種預緊力損失：FZ和Fprelax。

圖2 螺栓全壽命周期內評估螺栓接頭預緊力歷程的關鍵參數

擰緊預緊力后，通過嵌入直接產生Fz損失。“嵌入”是指部件接觸時粗糙峰的塑性變形。這些變形受部件接觸表面粗糙度和應變硬化的影響。當然，這種嵌入取決于夾緊表面之間的接觸壓力?；趧偠群皖A緊力水平（材料塑性化），接觸壓力導致不均勻性。

圖6顯示了這一點，這是對法蘭面螺釘M10頭部支撐區域內接觸壓力分布進行有限元分析的結果，夾緊兩種材料的夾緊部分，（a）鋼和（b）塑料。一方面，圖中包含了零件內部的應力分布，如圖中的灰度部分，另一方面曲線示意圖表示由頭部支撐引起的夾緊部分的局部接觸壓力。

圖6 螺栓和夾緊件FEA接觸應力分布分析 a鋼制件 b 聚酰胺件

以FP=20000 N的預緊力加載螺栓時，夾緊部分的兩種材料的平均接觸壓力pccmean=117MPa，因為螺釘支撐區域面積都是相同的。應力峰值出現在接觸內徑（兩種材料）處，對于鋼件，應力峰值比平均值高10倍。

對于夾緊聚酰胺部分局部應力分布更加均勻，pccmax/pccmean比值僅為1.7。峰值壓力的高度很大程度上取決于材料的屈服強度，因此有限元分析必須包含材料的彈塑性行為。

在圖6的（b）部分中，可以清楚地觀察到聚酰胺由于其低彈性模量而產生的大變形（變形比例因子5）。CFRP復合材料的大變形跟聚酰胺材料是相似的，因為通常纖維的分布取向與螺旋軸是垂直的的，所以它們對加固沒有很大幫助。由于聚酰胺的強度較低，（a）和（b）僅采用FP=20000N的預加載。

圖6的應力峰值導致局部溝槽。圖7顯示，對于接觸壓力的高值，這些凹槽的產生超過了可接受的極限。

圖7 DFRP和鋼支撐板不同預緊力下的頭部支撐面微觀圖和Δh壓痕高度

與有限元模擬壓痕相似的壓痕也可以在實際實驗中擰緊的頭部支撐區域識別。圖7所示為CFRP承載板的顯微鏡圖像，這些承載板是用扭矩試驗臺組裝的，預載FP=50 kN，40kN和20kN；鋼支承板也作為試驗的一個參考。

對于每個預加載，平均接觸壓力（預加載/頭部支撐區域）和凹痕深度評估：Δh是頭部支撐區域和地形圖中測量的非荷載區域之間的高度差。預加載FP=20kN時的平均接觸壓力小于圖6，因為在試驗中使用了比有限元模型中具有更大頭部支撐面積的螺釘。

鑒于圖6模型中的螺釘有一個完全平行于夾緊部分表面的支撐區域，試驗是以凹頭支撐形狀進行的。因此，最大的損傷與鼓包出現在支持區的外徑?？梢?，隨著接觸壓力的增加，損傷會直接增加。

對于超過FP=40 kN的預載，它變得至關重要。從這些圖像是pccmax的最大允許接觸壓力等于180MPa可定義為這種特定的碳纖維布材料。與CFRP支撐板相比，鋼支撐板在FP=20 kN的載荷下保持完全無損，因為Δh=2.1μm的值小于RZ=2.5μm的表面粗糙度。

在使用壽命期間，預緊力通過兩種機制會進一步降低：（a）材料在預緊力力流中的蠕變（蠕變可發生在螺栓，螺母，螺紋或被連接件部件的夾緊部分），（b）熱塑性或機械塑性變形，將緊固系統的力-伸長平衡后移向較低的預緊力水平。通常兩種機制都是重疊的，因此參數Fprelax包括兩者（見前述文章圖2）

圖8顯示了將鈦螺栓擰緊到兩塊CFPR上并分別暴露在6個100°C和130°C的溫度循環中來測試的熱預緊松弛。在每個溫度循環后測量殘余預緊力，最終從FP0=10kN降低到FPres=6.2 kN，平均降低39%。

圖8 壓縮板連續在幾次溫度循環后的預緊力松弛

原則上，在使用材料利用率高的螺紋緊固件時，總是會出現預緊力松弛現象。其大小取決于材料、溫度變化和荷載歷程。溫度變化的不同就可能是圖8中兩個測試運行的值略有不同的原因。

圖9顯示了從裝配45Nm+90°產生的高預應力水平開始，不同鋼螺釘的螺栓接頭的剩余預緊力Fpres。接頭已暴露在多個工作溫度下100小時，這使熱塑性和預緊力松弛疊加。夾緊件和螺母螺紋部件的材料為耐熱鋼（1.2379），因此幾乎消除了這些部件的蠕變。

圖9 不同螺栓循環后殘余預緊力

結果表明，典型的低合金鋼（10.9）耐溫可達到約300°C；對于更高的溫度，會發生顯著的預緊松弛（僅在暴露于450°C（842°F）后Fpres=6.5kN）。

螺釘用耐熱材料（1.4980）也顯示出一定的松弛度，但與10.9相比明顯降低。記錄了具有奧氏體晶粒結構（A2）的材料的一種特殊行為：在室溫下組裝后，它顯示出一個大的預緊力下降，但隨后出現了一個幾乎與溫度無關的殘余預緊力。

其原因是在高溫條件下，熱載荷變化為負值（與夾緊件相比，熱膨脹系數A2較大），奧氏體晶粒組織經淬火和回火后沒有晶粒轉變。因此，在所研究的溫度范圍內，熱暴露不會隨回火而產生強度變化。

在發電、燃氣輪機和熱力工業中，正確的螺桿材料問題就很重要了。為了量化使用低合金鋼（通常性能等級為DIN EN ISO 898）和耐腐蝕奧氏體鋼（DIN EN ISO 3506中的A2）制成的溫度螺釘，進行了圖9的試驗并進行了評估。

今天的一個重要點是，這個預加載歷史也可以用螺栓計算軟件Screw-Designer Professional計算出來。為了說明這一點，圖9中的表格直接通過比較計算和測量的數值，它們很一致。因此，在設計前階段可以消除昂貴和耗時的測試，并且可以減少設計的最終發布。

另一個具有危險預緊力損失的重要非線性效應是自松弛行為，現在也可以通過數值模擬來進行較準確預測，以便提前進行實際應用。

本章主要介紹了在擰緊完成后預緊力由于嵌入和松弛造成的損失，主要包括兩個方面：預緊力嵌入損失和松弛造成的預緊力損失。

材料嵌入造成的預緊力損失在VDI2230標準中也有所說明，大家都能夠比較清楚的了解。

對于松弛造成的預緊力損失在VDI2230標準就沒有特別的說明和計算，這種損失對于輕量化連接中的一些非金屬材料來說是特別中要求的。

大家都知道對于非金屬連接本身扭矩衰減就是很大，所以，如果在計算中就加以考慮，這樣設計的螺栓接頭即使后面出現了一定的衰減由于在設計中已經考慮了這些衰減因素，因此最終的接頭預緊力還是可靠的。

本節還介紹了高溫下螺栓和被連接件的材料屬性變化，對預緊力變化的影響。特別對于高溫連接的接頭，如發電廠等螺栓連接需要特別考慮這些因素。

由于Screw-Designer Professional螺栓計算軟件都考慮了本文所說的一些因素，所以計算設計出來的螺栓能夠更加符合實際情況，設計的接頭能夠更加準確和可靠。

這些問題都是本文討論的內容，該論文摘自ASME學會的的文章（2012 ASME International Mechanical Engineering Congress and ExpositionNovember 2012, Houston, Texas, USA），這種考慮公差和非線性的問題在螺栓計算過程中能夠保證計算更加安全可靠，同時，有些經驗參數可以通過直接計算得出，減少了一些人為的判斷失誤。

Screw-Designer Professional螺栓計算軟件是AFS研發的一款集數據庫、非線性、偏差等功能為一體的綜合性螺栓計算軟件。

能夠計算諸如車輪螺栓（球面、錐面）的擰緊扭矩，不同擰緊方式（扭矩法、轉角法、伸長量法、屈服點法等）條件下擰緊扭矩和預緊力的范圍，同時能夠計算出全壽命周期內的預緊力變化，給出非常直觀的最大、最小偏差下的各種安全系數值。

能夠使沒有太多計算經驗的緊固件工程師和產品工程師都會比較容易的看懂報告，存在哪些薄弱地方等。通過該軟件能夠使你的螺栓連接計算標準化，規范化，并考慮相關非線性，偏差等綜合因素，確保螺栓接頭設計的準確、可靠和安全。