1、ICS 21.060.10 VDI-RICHTLINIEN Dezember 2014 December 2014 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE Systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen Mehrschraubenverbindungen Systematic calculation of highly stressed bolted joints Multi bolted joints VDI 2230 Blatt 2 / Part 2 Ausg. deutsch/englisc
2、h Issue German/English Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this standard shall be taken as authori-tative. No guarantee can be given with respect to the English translation. VDI-Gesellschaft Produkt- und Prozessgestaltung (GPP) Fachbereich Getriebe und Masch
3、inenelemente VDI-Handbuch Produktentwicklung und Konstruktion Vervielfltigungauch fr innerbetrieblicheZweckenichtgestattet/Reproduction even for internalusenotpermittedFrhereAusgabe:11.11Entwurf, deutschFormeredition:11/11Draft,inGerman onlyZu beziehen durch/ AvailableatBeuthVerlagGmbH,10772 Berlin
4、AlleRechtevorbehalten/ All rightsreserved(a)VereinDeutscherIngenieuree.V., Dsseldorf 2014Inhalt Seite Contents Page Vorbemerkung . 3 Einleitung . 3 1 Anwendungsbereich . 3 2 Normative Verweise 5 3 Begriffe 5 3.1 Grundlagen . 5 3.2 Arten von Schraubenfeldern 7 4 Formelzeichen und Abkrzungen . 8 5 Ber
5、echnungsverfahren und Lsungsanstze 14 5.1 Einfhrung . 14 5.2 Verfahren der Starrkrpermechanik . 15 5.3 Verfahren der Elastomechanik . 16 5.4 Numerische Methoden . 17 6 Analytische Berechnungen 18 6.1 Lastverteilung und Schraubenbelastung . 18 6.2 Vorgehensweise . 19 6.3 Starrkrpermechanik 20 6.3.1 N
6、icht rotationssymmetrische Schraubenfelder . 20 6.3.2 Rotationssymmetrische Schraubenfelder: Kreisflansch . 29 6.4 Elastomechanik 32 6.4.1 Grundstzliches Vorgehen . 33 6.4.2 Beispiele 34 6.4.3 Lagerung von Struktur und SV 36 6.4.4 Elastomechanische Modelle fr Struktur und Schraubenfeld . 38 6.4.5 La
7、stverteilung bei MV bei Modellierung als elastisch gebetteter Biegebalken . 39 6.4.6 Nherungsverfahren nach Ritz . 45 6.4.7 Hchstbelastete SV 46 6.4.8 Abstand a . 46 6.5 Herauslsen einer einzelnen Verbindung 46 Preliminary note . 3 Introduction 3 1 Scope . 3 2 Normative references . 5 3 Terms and de
8、finitions 5 3.1 Fundamentals . 5 3.2 Types of bolt array . 7 4 Symbols and abbreviations . 8 5 Calculation methods and approaches to solutions 14 5.1 Introduction . 14 5.2 Methods of rigid body mechanics 15 5.3 Methods of elastomechanics 16 5.4 Numerical methods 17 6 Analytical calculations . 18 6.1
9、 Load distribution and bolt loading 18 6.2 Procedure . 19 6.3 Rigid body mechanics 20 6.3.1 Non-rotationally symmetrical bolt arrays . 20 6.3.2 Rotationally symmetrical bolt arrays: circular flange 29 6.4 Elastomechanics 32 6.4.1 Basic procedure . 33 6.4.2 Examples . 34 6.4.3 Support of structure an
10、d BJ . 36 6.4.4 Elastomechanical models for structure and bolt array 38 6.4.5 Load distribution in MBJs when modelled as an elastically bedded bending beam . 39 6.4.6 The Ritz approximative method 45 6.4.7 Most highly loaded BJ . 46 6.4.8 Distance a 46 6.5 Separation of an individual joint . 46 B55E
11、B1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCBB7EF8FD9NormCD - Stand 2015-01 2 VDI 2230 Blatt 2 / Part 2 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2014 Seite 6.6 Schraubenreihe unter momentenfreier Querbelastung 47 6.6.1 Beschreibung des Belastungsfall . 47 6.6.2 Belastungsverteilung b
12、ei Querlngsbelastung 48 6.6.3 Berechnungsmodell 50 6.6.4 Sonderfall Pass-Schrauben-Verbindungen . 54 6.6.5 Gestaltungshinweise 55 7 Anwendung der Finite-Elemente-Methode . 57 7.1 Grundlegende Vorgehensweise 57 7.2 Modellierung 58 7.2.1 Modellklassen 58 7.2.2 Spezifische Modelleigenschaften 60 7.3 Ab
13、leitung der Berechnungsgren aus der FE-Rechnung . 75 7.3.1 Nachgiebigkeiten . 76 7.3.2 Schraubennennbeanspruchung Montagezustand . 79 7.3.3 Schraubenzusatzbeanspruchung durch uere Betriebslasten . 79 7.3.4 Flchenpressung . 83 7.3.5 Abheben, Klaffen, Rutschen 84 7.4 Tragfhigkeitsnachweis von Ein- und
14、 Mehrschraubenverbindungen in Anlehnung an die Richtlinie VDI 2230 Blatt 1 85 Anhang Korrigierte analytische Berechnungen unter Beachtung des elastischen Verhaltens der Struktur 90 A1 Schraubenfelder unter Torsionsbelastung 90 A2 Schraubenfeld unter Zugbelastung . 92 Schrifttum 93 Page 6.6 Bolt row
15、under momentless transverse loading . 47 6.6.1 Description of the loading case 47 6.6.2 Load distribution with transverse longitudinal loading . 48 6.6.3 Calculation model 50 6.6.4 Special case of close-fitting bolt joints 54 6.6.5 Design information 55 7 Application of finite element method 57 7.1
16、Basic procedure . 57 7.2 Modelling . 58 7.2.1 Model classes . 58 7.2.2 Specific model properties 60 7.3 Derivation of the calculation quantities from the FE calculation . 75 7.3.1 Compliances 76 7.3.2 Nominal bolt loading in the assembly state 79 7.3.3 Additional bolt load from external operating lo
17、ads . 79 7.3.4 Surface pressure . 83 7.3.5 Lifting off, opening up, sliding 84 7.4 Load-carrying capacity analysis of single- and MBJs adapted from standard VDI 2230 Part 1 85 Annex Corrected analytical calculations taking into account the elastic behaviour of the structure . 90 A1 Bolt arrays under
18、 torsional loading 90 A2 Bolt arrays under tensile load 92 Bibliography 93 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCBB7EF8FD9NormCD - Stand 2015-01All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2014 VDI 2230 Blatt 2 / Part 2 3 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unt
19、er Beachtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richtlinie VDI 1000. Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wah-rung des Urheber
20、rechts und unter Beachtung der Lizenzbedingungen (www.vdi.de/richtlinien), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser VDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist im Interne
21、t abrufbar unter www.vdi.de/2230. Preliminary note The content of this standard has been developed in strict accordance with the requirements and rec-ommendations of the standard VDI 1000. All rights are reserved, including those of reprint-ing, reproduction (photocopying, micro copying), storage in
22、 data processing systems and translation, either of the full text or of extracts. The use of this standard without infringement of copyright is permitted subject to the licensing con-ditions (www.vdi.de/richtlinien) specified in the VDI Notices. We wish to express our gratitude to all honorary contr
23、ibutors to this standard. A catalogue of all available parts of this series of standards can be accessed on the Internet at www.vdi.de/2230. Einleitung Die Richtlinie VDI 2230 Blatt 1 ist national und international als Standardwerk zur Berechnung hochfester Schraubenverbindungen (SV) aner-kannt. Sie
24、 setzt dabei die Kenntnis der Belastungs- und Geometriegren voraus und gilt fr Ein-schraubenverbindungen (EV). Dies bedeutet, dass vor der eigentlichen Berechnung im Regelfall aus mehreren Schrauben innerhalb eines Verbindungs-bereichs (Mehrschraubenverbindung MV) die hchstbelastete SV mit ihren Bel
25、astungsgren zu ermitteln und virtuell herauszulsen ist. Diese Aufgabe behandelt die vorliegende Richtli-nie. Es werden darin zum einen Mglichkeiten der analytischen Berechnung von MV (Starrkrperme-chanik, Elastomechanik) zur Ermittlung der Last-verteilung und der Belastungsgren aufgezeigt, ohne dass
26、 ein Anspruch auf Vollstndigkeit erho-ben werden kann. Zum anderen wird die Anwen-dung numerischer Verfahren fr die Berechnung von SV behandelt, mit Konzentration auf die Fini-te-Elemente-Methode (FEM). Fr alle Verfahren zur Bewertung von Mehrschraubenverbindungen werden die Anknpfungspunkte fr den
27、Nachweis nach VDI 2230 Blatt 1 beschrieben. Dabei knnen insbesondere bei der Verwendung der FEM-Rechenschritte ersetzt oder erweitert und die Quali-tt der Berechnungsergebnisse verbessert werden. Introduction Standard VDI 2230 Part 1 is recognized both na-tionally and internationally as a standard w
28、ork for calculating high-strength bolted joints (BJs). It assumes a knowledge of the relevant loading and geometrical parameters and applies to single-bolt joints (SBJ). This means that before the actual cal-culation, which usually concerns several bolts within a contact area (multi bolted joint MBJ
29、), it will be necessary to determine the most highly loaded BJ together with its stress levels and sepa-rate it out virtually. This is the task which the present standard tackles. First of all, it presents a method involving an ana-lytic calculation of MBJs (rigid body mechanics, elastomechanics) in
30、 order to determine the load distribution and stress levels but cannot make any claim to completeness. Secondly, it deals with the application of numerical methods for calculating BJs, concentrating on the finite element method (FEM). For all methods of evaluating MBJs, it describes the points of re
31、ference for verification in accordance with VDI 2230 Part 1. Here calculation steps can be replaced or added, especially when the finite element method is used, and the quality of calculation results improved. 1 Anwendungsbereich Diese Richtlinie gilt analog VDI 2230 Blatt 1 fr hochfeste Schraubenve
32、rbindungen aus Stahl mit Befestigungsgewinde, das heit fr Festigkeits-klassen 8.8 bis 12.9 bzw. 70 und 80 und einer kraftschlssigen bertragung der Betriebsbelas-1 Scope This standard, analogously to VDI 2230 Part 1, applies to high-strength bolted joints made of steel with screw thread, in other wor
33、ds, to strength grades 8.8 to 12.9 or 70 and 80 and with a friction-al transmission of the working load which basically B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCBB7EF8FD9NormCD - Stand 2015-01 4 VDI 2230 Blatt 2 / Part 2 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2014 tung, die
34、grundstzlich an den verspannten Bautei-len bzw. der Struktur angreift. Fr Schrauben aus anderen Werkstoffen, bei niedrigeren Festigkeits-klassen oder bei von DIN ISO 898-1 abweichenden Festigkeiten kann die Richtlinie sinngem ange-wendet werden. Grundstzlich befreit die Richtlinie nicht von expe-rim
35、entellen sowie bei Anwendung analytischer Methoden gegebenenfalls numerischen Untersu-chungen zur Verifizierung der Berechnungsergeb-nisse. Dies ist insbesondere bei kritischen Mehr-schraubenverbindungen und bei Berechnungsan-stzen, die das System sehr stark vereinfacht be-trachten (z. B. das Starrk
36、rpermodell), anzuraten. Das Hauptziel der Richtlinie besteht darin dem Konstrukteur oder Berechnungsingenieur Hilfestel-lung bei der Ermittlung und Separation der hchst-belasteten EV innerhalb eines Schraubenfelds (MV) zu geben. Dies erfolgt durch die Beschrei-bung unterschiedlicher Berechnungsanstz
37、e sowie deren systematischer Darstellung in Bezug auf die Vorgehensweise und die Mglichkeiten und Gren-zen. Mit den dabei errechneten Belastungs- und Berechnungsgren wird die Qualitt der sich an-schlieenden funktions- und betriebssicheren Aus-legung nach VDI 2230 Blatt 1 verbessert. Bei den analytis
38、chen Nherungsberechnungen liefern Verfahren der Starrkrpermechanik bei vergleichsweise geringem Aufwand Ergebnisse, die fr eine Reihe von Fllen der Praxis ausrei-chend genau sein knnen. Allerdings knnen keine allgemeingltigen Kriterien dafr angegeben wer-den. Letztlich liegt es in der Verantwortung
39、des Konstrukteurs oder Berechnungsingenieurs, seine Ergebnisse zu verifizieren. Unter Beachtung prak-tischer Erfahrungen wurden bei einigen Fllen Korrekturen zur besseren Annherung an die realen Verhltnisse vorgenommen. In den Fllen, in denen eine genauere Berechnung erforderlich ist und FE-Ergebnis
40、se nicht vorliegen, bieten sich die analytischen Verfahren der Elasto-mechanik an. Allerdings sind diese aufwendiger und nicht bei allen Berechnungsproblemen nutzbar. Mit den softwareunabhngigen Hinweisen zur FE-Anwendung wird zum einen das Ziel verfolgt, dem Konstrukteur oder Berechnungsingenieur,
41、in Ab-hngigkeit vom Ziel der FE-Berechnung, sinnvolle Modellierungsvarianten vorzuschlagen. Zur Redu-zierung der Variantenvielfalt wurden unterschiedli-che Modellklassen definiert, die die Entwicklung eines realittsnahen und trotzdem im Aufwand vertretbaren Berechnungsmodells ermglichen. Zum anderen
42、 soll durch Vorgaben zur Auswertung der FE-Ergebnisse hinsichtlich der hchstbelaste-acts on the clamped components or on the struc-ture. As regards bolts made of other materials, or with lower strength grades or with strengths which deviate from DIN ISO 898-1, the standard can be applied mutatis mut
43、andis. This standard does not in principle do away with the need for experimental tests or where applicable, when analytical methods are used, for numerical analyses to verify the results of calculations. This is in particular advisable in the case of critical MBJs and also with analytical approache
44、s which examine the system with a marked degree of simplification (such as, for exam-ple, the rigid body model). The principle aim of the standard is to provide design engineers with assistance in determining and separating out the most highly loaded SBJ within a bolt array (MBJ). This is done by de
45、scrib-ing different calculation methods and also by their systematic presentation with respect to procedure and to possibilities and limits. With the loading and calculation quantities thus obtained by calculation an improvement is achieved in the quality of the subsequent functionally and operation
46、ally safe design as specified in VDI 2230 Part 1. With approximative analytical calculations, meth-ods of rigid body mechanics will, with compara-tively little effort, yield results which can be pre-cise enough for a series of practical cases. However it is not possible to provide criteria of univer
47、sal application for this. Ultimately it is the responsibil-ity of the design engineer to verify his results. While paying due regard to practical experience, corrections have been made in some cases to give a closer approximation to real situations. In cases requiring a more precise calculation and
48、where FE results are not available, the analytic methods of elastomechanics are a possibility. However these are more complex and are not suit-able for use with all calculation problems. The aim of the software-independent information regarding FE application is firstly to provide the engineer with
49、useful modelling variants depending on the objective of the FE calculation. In order to reduce the number of variants, different classes of model have been defined which make it possible to develop a realistic computational model which nevertheless does not involve an unacceptable level of effort. Secondly, the closeness of the results to reality should be ensured by requirements relating to eval-B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCBB7EF8FD9NormCD - Stand 2015-01All rights reser
