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概述
輕量化的產品設計，再加上技術產品對性能和功率的要求，使得每一個加載的機械零件的應力都大大增加。對于螺栓連接來說這尤其適用，因為它們是高負荷機械元件。
如今，螺紋緊固件的尺寸大多采用基于線性機械性能的標準指南，如指南VDI2230。在產品生命周期中，經常發生非線性變化和偏差。如果為了滿足市場需求而開發出性能、經濟、生態、質量最優的產品，就必須考慮到這一點（非線性和偏差）。
這一影響顯示了螺栓連接在使用壽命中的重要方面。一個關鍵參數是所謂的“預緊力歷程”。通過這種方法，可以直接發現可能的主要風險。
在后面的介紹中，通過CFRP示例來說明輕量化設計避免發生故障的方法、工具和行動。為今后生產具有螺栓聯接的產品優化提供了一種有效、經濟的設計方法和工具。
輕質材料連接更加容易造成“預緊力衰減”和“自松”，這就會造成可能失效的風險。失效機制在參考文獻[6，7]中有詳細介紹。指南VDI2230和相關參考文獻，如[5，8，9]主要是不考慮隨時間變化的軸向載荷變形行為。
圖1顯示，在產品開發的第一步中，大多數行為也是誘導后續一系列步驟的因素。這意味著對于緊固系統，緊固設計對所有層級都起著重要作用。
圖1 緊固件系統的四個層級
產品全壽命周期中螺栓連接
螺栓連接分析方法已建立多年，它們必須在產品的整個生命周期內可靠地工作（圖1）。這個生命周期可以用四個時間步驟來描述（產品開發、生產和裝配、運行、壽命終止）。每個時間步驟有四個級別的標準：性能、質量、經濟水平和環保。
總的來說，這種層級結構對于當今市場上產品成功很重要。圖1還強調了每個步驟對緊固系統的影響。在輕量化設計中，由于材料利用率高，強度低，需要滿足特殊的設計要求。
流程圖還表明，步驟1和步驟2（產品開發和生產裝配）由產品制造商驅動，而步驟3和步驟4（運行和壽命結束）由客戶驅動。對于螺栓連接，這意味著開發商和制造商對運行期間的可靠性負有重大責任。
因此，需要一個持續的評估關鍵參數，這個關鍵參數就是所謂的“預緊力歷程”（預加載隨時間變化的行為）。
預緊力歷程
圖2是通過觀察壽命期內的預緊力演變而得到的。它顯示了最大預緊力FPmax=f（時間）和最小預緊力Fpmin=f（時間）的函數。在該圖中，對應圖1的步驟2和3（裝配和運行）。
裝配過程的典型時間段在1秒（小螺釘）到幾分鐘（大螺釘）之間；運行時間段取決于使用時間，通常在1000小時（如車輛）到100000小時（如工業機械）之間。因此，時間軸應按比例對數縮放。水平虛線/實線表示最小和最大限制的邊框線。
在大多數情況下，接近最小極限是特別危險的，因為初始擰緊預緊力Fp0min和Fp0max隨著使用時間而顯著變化（預緊力嵌入損失FZ，旋轉松動損失△Fprelax，可能的維護延遲，接頭設計不足，見圖2）。
應考慮四種風險（參見圖2）：
1. 預緊力偏差過大（對于螺栓連接而言，這一數值非常大，這樣就有可能造成太低的初始最小預緊力FP0min）
2. 工作時候預緊力過低Fp0min–FZ–∮FPrelax
3. 熱脹冷縮或機械過載引起的預緊力損失
4. 接觸區接觸壓力過高，尤其是對于低強度被連接件材料。
有一些方法可以減少連接件的過大尺寸（這是當前輕量化設計中經常會做的），但是，這些情況需要考慮預緊力歷程中的非線性行為（考慮偏差的過彈性擰緊、隨時間的預加載變化、松弛、自松等）。同時，還需要考慮來自具有極高可靠性的零故障目標的期望。
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
譯者點評：
大家對于VDI2230都是比較熟悉的，該指南中主要考慮了螺栓擰緊時候的嵌入損失和熱脹冷縮造成預緊力的變化，相對來說還沒有考慮到螺栓連接的全壽命周期的預緊力變化。
如螺栓連接裝配以后，預緊力會產生如何的變化，材料在高溫情況下，受力比較大的情況下預緊力可能的變化情況。所以，完全按照VDI2230的步驟還不能完全正確的考慮整個壽命周期內預緊力的變化情況。
本文就對整個壽命周期的預緊力變化進行分析，甚至考慮到維修的間隔，維修時候對緊固件重新擰緊后預緊力的變化。
本文從圖2也可以看出，在整個壽命周期內預緊力完全按照兩個界限進行分析，包括最大預緊力，最小預緊力，整個壽命周期的內變化。我們都知道對于考慮偏差的情況，在VDI2230中主要有螺紋嚙合長度的計算部分，會考慮螺紋的最大公差，螺紋的最小公差，計算出滿足要求的最小嚙合長度。
其他計算部分基本都是按照尺寸的公稱值，或者材料的最小極限值來進行計算的。例如擰緊扭矩的計算，計算公式如下：
這個公式大家都非常熟悉，從這個公式來看，計算就沒有考慮的尺寸的公差，特別是螺紋的中徑d2就沒有考慮最大公差和最小公差，當然螺栓法蘭支撐面直徑和螺栓孔直徑也都是按照公稱值或最大、最小值來進行的計算。
這個對計算結果還是有一些些微的影響。我們也進行了計算比較，難怪計算結果與軟件中的擰緊扭矩計算結果每次都會相差一定的扭矩。
另外，VDI2230指南中對于擰緊系數αA是按照指南中推薦的數值進行輸入計算，這個數值輸入的大小會較大地影響后續的計算結果，如果能夠從最大預緊力和最小預緊力來直接計算出這個值，對大家更好的理解這個值，也不會糾結太多，這個值的選用就不會存在太大的問題，直接根據擰緊扭矩要求得出擰緊系數。實際上這個值的選用也是大家比較糾結或者經常提出的問題。
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 Exposition November 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螺栓計算軟件是德國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。
敬請期待文章的后續連載部分……
關于茲懋 （原茲韋克中國的緊固技術業務單元）
作為德國領先緊固技術在中國的代言人，旨在通過引進最先進的緊固技術助推中國先進制造業的發展。茲懋是來自德國的Kistler Remscheid (原Schatz)、ECM Datensysteme、AFS先進連接技術研究所駐中國的全權代表機構。提供源自德國的螺紋緊固連接檢測、校準、分析的儀器設備，以及緊固連接全壽命周期的解決方案，并定期舉辦專業的緊固培訓研討會，深受業內好評。
