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兹懋(Zmart)是德国Kistler Remscheid (原Schatz)、德国AFS先进连接技术研究所驻中国全权代表机构,由兹韦克中国出资设立,具有德资企业背景,总部设立于上海,与华测检测在上海设有紧固连接技术共建实验室。

智慧紧固

致力于引进先进的紧固装配设计、测试验证技术,助力中国智能设计、 制造。 专业提供紧固连接全寿命周期的软、硬件产品及服务。

智慧光学

兹懋智能光学尺寸测量扎根于为紧固件、带钢、螺纹钢、圆钢提供整体解决方案,螺纹钢作为工业基础,民生基调,全自动智能光学钢筋检测系统突破传统检测,为高精尖智能制造夯实基础​。

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摩擦系数试验机

螺栓和螺母在安装过程中的质量特性对于螺栓连接的质量具有直接影响。功能测试是用于组装过程的最重要的分析方法。它确定紧固零件的机械特性和功能,从而保证其质量。同时确定摩擦系数、预紧力和扭矩。并在这个过程中遵守国际标准,以及尽可能真实地模拟使用条件。

模拟装配试验系统

在装配试验中要求所得到的试验结果必须没有任何"伪证据”-特别的是:如果所需试验部件上的紧固件,其位置就是实际安装条件,这种试验具有想当的挑战性。

横向振动试验台

横向振动测试试验台配有可调节振幅的驱动装置,用于横向载荷的力值传感器,高精度位移传感器以及可根据螺栓尺寸更换的测量夹紧力和螺纹摩擦力的传感器。 振动试验时将试验产品按照实际施工工艺安装到试验台上,通过Kistler软件设定试验条件,如试验频率、振幅。试验系统将实时监测并记录您所关心的夹紧力的衰减、横向推力大小、螺纹扭矩等数据。 横向振动测试过程中的振幅和频率等信息由测量和控制单元来控制。

螺纹装配工具测试系统

为了在现代化的工业生产过程中实现可靠的螺栓连接,可靠的拧紧枪是至关重要的。不仅必须在组装前对拧紧枪进行标定和认证,而且在组装过程中也必须反复检测。目的是保证连续高性能,以便实现最佳的组装效果和满足既定的标准。

超声轴力测试分析系统

不同于普通超声设备,Kistler 超声波轴力分析测试系统 可以对拧紧全过程进行数字采集 对螺栓进行短期或长期轴力监控 配合Kistler拧紧设备使用德国专业紧固件分析测试软件TestXpert ®进行和过程分析

智慧紧固扳手

无论是软连接拧紧点,还是硬连接拧紧点,我们在完成拧紧过程后,扭矩都是出现不同程度的衰减,如何找到残余扭矩&如何找到残余轴力成为了每个拧紧工艺工程师迫切希望解决的问题。 检测残余扭矩值需要有好的工具,才能保证检测结果的可靠性和重复性。 KISTLER的新一代智能扳手 Inspector具备完善的残余扭矩测试功能 内置了多种不同的测试方式可以根据客户需求自定义检测模式。

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Imess

Imess 是一家独立的激光和光学相机检测设备的制造商,自1998年以来Imess团队解决了光学质量保证方面的苛刻的检测任务,并开发了创新的检测技术,以支持您的生产线实现高效高产和高质量质量的水平。

ECM全自动螺栓尺寸测量仪

源自德国,为不同行业紧固件外形尺寸测量而开发的全自动光学螺栓尺寸测量仪。此设备的能够自动测量螺钉,螺栓等回转体样件的几何形状。无论放置于现场或是实验室,该设备都能大幅集成常规测量手段,提高测量效率。测量大数据的便捷管理模式将成为紧固件企业质量飞跃的可靠选择。

全自动钢筋形貌尺寸测量仪

兹懋智能光学尺寸测量扎根于为紧固件、带钢、螺纹钢、圆钢提供整体解决方案,螺纹钢作为工业基础,民生基调,全自动智能光学钢筋检测系统突破传统检测,为高精尖智能制造夯实基础. 突破传统的手工离线测量,多种量具切换,且数据得不到有效保存和追溯等测量过程的痛点,打造全新智能光学检测的新场景。 全自动智能光学钢筋尺寸检测系统(RM)能够通过内置丰富钢筋检测标准对各类型的带肋钢筋的横肋纵肋,宽度,高度等尺寸在多场景下进行精密且快速的测量,开发的数据接口可以使测试数据进行多方式的共享和导出
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连载三(完结篇) l 螺纹连接计算,Screw-Designer Professional可以做更好


分类: 企业资讯

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发布时间:2020-07-09 13:02

 
 
 
 
前二期 连载二 l 螺纹连接计算,你考虑非线性和偏差了吗?设计 l 考虑非线性和偏差的螺纹紧固系统的工程计算连载之(一)主要谈了:

1 产品全寿命周期中螺栓连接
2 预紧力历程
3 装配偏差

 

本次完结篇我们将介绍运行中的预紧力损失全文总结

 

关注螺纹连接设计与校核的同学不要错过哦~

 
 
 
 

 

 

4
 
运行中的预紧力损失
 

 

从图2可以清楚地看出,紧固预紧力Fp0min和Fp0max在整个使用寿命期间不是恒定的。为了弥补这一点,在运行期间必须考虑两种预紧力损失:FZ和Fprelax。

 

图2 螺栓全寿命周期内评估螺栓接头预紧力历程的关键参数


 

4.1
 
嵌入造成预紧力损失
 

 

拧紧预紧力后,通过嵌入直接产生Fz损失。“嵌入”是指部件接触时粗糙峰的塑性变形。这些变形受部件接触表面粗糙度和应变硬化的影响。当然,这种嵌入取决于夹紧表面之间的接触压力。基于刚度和预紧力水平(材料塑性化),接触压力导致不均匀性。

 

图6显示了这一点,这是对法兰面螺钉M10头部支撑区域内接触压力分布进行有限元分析的结果,夹紧两种材料的夹紧部分,(a)钢和(b)塑料。一方面,图中包含了零件内部的应力分布,如图中的灰度部分,另一方面曲线示意图表示由头部支撑引起的夹紧部分的局部接触压力。

 

图6 螺栓和夹紧件FEA接触应力分布分析 a钢制件 b 聚酰胺件

 

以FP=20000 N的预紧力加载螺栓时,夹紧部分的两种材料的平均接触压力pccmean=117MPa,因为螺钉支撑区域面积都是相同的。应力峰值出现在接触内径(两种材料)处,对于钢件,应力峰值比平均值高10倍。

 

对于夹紧聚酰胺部分局部应力分布更加均匀,pccmax/pccmean比值仅为1.7。峰值压力的高度很大程度上取决于材料的屈服强度,因此有限元分析必须包含材料的弹塑性行为。

 

在图6的(b)部分中,可以清楚地观察到聚酰胺由于其低弹性模量而产生的大变形(变形比例因子5)。CFRP复合材料的大变形跟聚酰胺材料是相似的,因为通常纤维的分布取向与螺旋轴是垂直的的,所以它们对加固没有很大帮助。由于聚酰胺的强度较低,(a)和(b)仅采用FP=20000N的预加载。

 

图6的应力峰值导致局部沟槽。图7显示,对于接触压力的高值,这些凹槽的产生超过了可接受的极限。

 

图7 DFRP和钢支撑板不同预紧力下的头部支撑面微观图和Δh压痕高度

 

与有限元模拟压痕相似的压痕也可以在实际实验中拧紧的头部支撑区域识别。图7所示为CFRP承载板的显微镜图像,这些承载板是用扭矩试验台组装的,预载FP=50 kN,40kN和20kN;钢支承板也作为试验的一个参考。

 

对于每个预加载,平均接触压力(预加载/头部支撑区域)和凹痕深度评估:Δh是头部支撑区域和地形图中测量的非荷载区域之间的高度差。预加载FP=20kN时的平均接触压力小于图6,因为在试验中使用了比有限元模型中具有更大头部支撑面积的螺钉。

 

鉴于图6模型中的螺钉有一个完全平行于夹紧部分表面的支撑区域,试验是以凹头支撑形状进行的。因此,最大的损伤与鼓包出现在支持区的外径。可见,随着接触压力的增加,损伤会直接增加。

 

对于超过FP=40 kN的预载,它变得至关重要。从这些图像是pccmax的最大允许接触压力等于180MPa可定义为这种特定的碳纤维布材料。与CFRP支撑板相比,钢支撑板在FP=20 kN的载荷下保持完全无损,因为Δh=2.1μm的值小于RZ=2.5μm的表面粗糙度。

 

 

4.2
 
松弛造成预紧力损失
 

 

在使用寿命期间,预紧力通过两种机制会进一步降低:(a)材料在预紧力力流中的蠕变(蠕变可发生在螺栓,螺母,螺纹或被连接件部件的夹紧部分),(b)热塑性或机械塑性变形,将紧固系统的力-伸长平衡后移向较低的预紧力水平。通常两种机制都是重叠的,因此参数Fprelax包括两者(见前述文章图2)

 

图8显示了将钛螺栓拧紧到两块CFPR上并分别暴露在6个100°C和130°C的温度循环中来测试的热预紧松弛。在每个温度循环后测量残余预紧力,最终从FP0=10kN降低到FPres=6.2 kN,平均降低39%。

 

图8 压缩板连续在几次温度循环后的预紧力松弛

 

原则上,在使用材料利用率高的螺纹紧固件时,总是会出现预紧力松弛现象。其大小取决于材料、温度变化和荷载历程。温度变化的不同就可能是图8中两个测试运行的值略有不同的原因。

 

图9显示了从装配45Nm+90°产生的高预应力水平开始,不同钢螺钉的螺栓接头的剩余预紧力Fpres。接头已暴露在多个工作温度下100小时,这使热塑性和预紧力松弛叠加。夹紧件和螺母螺纹部件的材料为耐热钢(1.2379),因此几乎消除了这些部件的蠕变。

 

图9 不同螺栓循环后残余预紧力

 

结果表明,典型的低合金钢(10.9)耐温可达到约300°C;对于更高的温度,会发生显著的预紧松弛(仅在暴露于450°C(842°F)后Fpres=6.5kN)。

 

螺钉用耐热材料(1.4980)也显示出一定的松弛度,但与10.9相比明显降低。记录了具有奥氏体晶粒结构(A2)的材料的一种特殊行为:在室温下组装后,它显示出一个大的预紧力下降,但随后出现了一个几乎与温度无关的残余预紧力。

 

其原因是在高温条件下,热载荷变化为负值(与夹紧件相比,热膨胀系数A2较大),奥氏体晶粒组织经淬火和回火后没有晶粒转变。因此,在所研究的温度范围内,热暴露不会随回火而产生强度变化

 

在发电、燃气轮机和热力工业中,正确的螺杆材料问题就很重要了。为了量化使用低合金钢(通常性能等级为DIN EN ISO 898)和耐腐蚀奥氏体钢(DIN EN ISO 3506中的A2)制成的温度螺钉,进行了图9的试验并进行了评估。

 

今天的一个重要点是,这个预加载历史也可以用螺栓计算软件Screw-Designer Professional计算出来。为了说明这一点,图9中的表格直接通过比较计算和测量的数值,它们很一致。因此,在设计前阶段可以消除昂贵和耗时的测试,并且可以减少设计的最终发布。

 

另一个具有危险预紧力损失的重要非线性效应是自松弛行为,现在也可以通过数值模拟来进行较准确预测,以便提前进行实际应用

 

 

5
 
总结和结论
 

 

对于今后的螺纹接头设计,本文主要贡献是集中在优化产品中的螺纹接头必须在整个产品寿命期间工作。对于优化产品,产品开发的四个层次都是重要的:性能层次、质量层次、经济层次、生态层次

 

两个独立的阶段是装配(在夹紧系统中产生预紧力)和运行(在夹紧系统中保持/释放预紧力)。对于与紧固系统寿命相关的可靠性,每个设计工程师都必须意识到可能存在典型的风险,这些风险已通过示例显示(拧紧偏差、CFRP的特殊效果、冲击扳手的拧紧、对头部支撑区域压溃的影响、松弛造成的预紧力损失)。

 

这些因素总是表现出非线性行为,因此有必要在标准设计过程中使用先进的计算工具,如Screw-Designer Professional螺栓专业计算软件。这就为优化产品的螺杆设计提供了一种新的方法,例如:轻量化设计,螺栓利用率高,轻质材料的抗蠕变性通常有限。

 

在今后的设计中,应扩大设计标准使用范围,减少粗略估算因素的数量,并对紧固件工程师进行培训,从而建立一个整个寿命周期的完美设计。


除此之外,重要的是改进计算工具,使之成为包括非线性机构在内的综合软件解决方案,以便提前预测寿命行为(节省时间、成本、减少原型数量)。只有采用这种方法,设计的系统变化才有可能找到一个优化的参数组合。

 

 

6
 
译者点评
 

 

本章主要介绍了在拧紧完成后预紧力由于嵌入和松弛造成的损失,主要包括两个方面:预紧力嵌入损失松弛造成的预紧力损失

 

材料嵌入造成的预紧力损失在VDI2230标准中也有所说明,大家都能够比较清楚的了解。

 

对于松弛造成的预紧力损失在VDI2230标准就没有特别的说明和计算,这种损失对于轻量化连接中的一些非金属材料来说是特别中要求的

 

大家都知道对于非金属连接本身扭矩衰减就是很大,所以,如果在计算中就加以考虑,这样设计的螺栓接头即使后面出现了一定的衰减由于在设计中已经考虑了这些衰减因素,因此最终的接头预紧力还是可靠的。

 

本节还介绍了高温下螺栓和被连接件的材料属性变化,对预紧力变化的影响。特别对于高温连接的接头,如发电厂等螺栓连接需要特别考虑这些因素。

 

由于Screw-Designer Professional螺栓计算软件都考虑了本文所说的一些因素,所以计算设计出来的螺栓能够更加符合实际情况,设计的接头能够更加准确和可靠。

 

这些问题都是本文讨论的内容,该论文摘自ASME学会的的文章(2012 ASME International Mechanical Engineering Congress and ExpositionNovember 2012, Houston, Texas, USA),这种考虑公差和非线性的问题在螺栓计算过程中能够保证计算更加安全可靠,同时,有些经验参数可以通过直接计算得出,减少了一些人为的判断失误。

 

Screw-Designer Professional螺栓计算软件是AFS研发的一款集数据库、非线性、偏差等功能为一体的综合性螺栓计算软件。

 

 

能够计算诸如车轮螺栓(球面、锥面)的拧紧扭矩,不同拧紧方式(扭矩法、转角法、伸长量法、屈服点法等)条件下拧紧扭矩和预紧力的范围,同时能够计算出全寿命周期内的预紧力变化,给出非常直观的最大、最小偏差下的各种安全系数值。

 

能够使没有太多计算经验的紧固件工程师和产品工程师都会比较容易的看懂报告,存在哪些薄弱地方等。通过该软件能够使你的螺栓连接计算标准化,规范化,并考虑相关非线性,偏差等综合因素,确保螺栓接头设计的准确、可靠和安全

 

 

咨询&校核软件

若您想咨询更多螺纹连接正向设计或软件校核解决方案,欢迎联系兹懋咨询业务经理 - Javen郑,联系方式如下:

手机:18017569635

邮箱:javen.zheng@zmart-china.com

 

 

 

 

 

关于兹懋

      作为德国领先紧固技术在中国的代言人,旨在通过引进最先进的紧固技术助推中国先进制造业的发展。兹懋是来自德国的Kistler Remscheid (原Schatz)、ECM Datensysteme、AFS先进连接技术研究所驻中国的全权代表机构。提供源自德国的螺纹紧固连接检测、校准、分析的仪器设备,以及紧固连接全寿命周期的解决方案,并定期举办专业的紧固培训研讨会,深受业内好评。