技术专栏丨解析紧固连接正向设计之一

螺纹连接，被誉为工业之米的紧固件之一，作为一种常用的连接方式，可提供大夹紧力的同时也具有容易拆卸的特点。

德国大约每年有50万吨的钢用来生产紧固件，一辆乘用车上大约有1000到2500颗紧固件，在螺纹连接中有低强度的连接也存在大量高强度的连接。

你是不是跟很多人一样，对于紧固件设计一脸无奈?国内教科书上的传统方法千遍一律;而安全系数经验值一直无根无据，永远知其然不知其所以然;国际上的方法论逻辑缜密，却因语言、翻译等问题难以消化吸收。

与传统钢对钢连接而言，轻量化紧固接头在设计应用时面临各种各样的挑战和风险。失效机理也扩展为材料断裂、腐蚀行为、预紧力损失及自松动四种。

不同的失效机理将会相互联系相互影响(如上图红红色虚线表示)。以上四种失效机理都会导致丧失紧固连接的功能。特别是在轻量化设计中，“预紧力松弛”和“自松”频繁发生。针对高负载螺纹接头，可通过非线性模型在设计时进行计算。在设计工作中，设计者应避免由于这些失效机理而引起的服役期间的失效行为。

常规装配时间为<1秒(小螺钉)~几分钟(大螺栓);而服役周期1000小时(机车)~10万小时(工业设备)。螺纹接头装配后，在多数情况下，由于界面压陷产生预紧力损失Fz、松弛损失ΔFprelax，维护延迟，接头设计不当(不足)，最大和最小初始预紧力Fp0max、Fp0min随服役会有显著改变，因为下限风险更大。

在螺纹接头设计中应考虑4个风险：

1、过大的预紧力偏差ΔFp

2、工作预紧力太低Fp0min – Fz - ΔFprelax

3、机械冲击过载、服役温度过载造成的夹紧力损失

4、接触界面的表面压力pccmax过大

精确的分析可降低接头设计时放的安全裕量过大，可获得接头设计的高可靠性。但我们同时需要关注预紧力谱中的非线性行为(如存在偏差的过弹性拧紧，预紧力随时间的变化，松弛，自松等)。

螺纹接头涉及到紧固件、被连接件;也涉及到装配、服役;更需要考虑服役的因素，失效机理，还需要依据从实践中获得的安全裕度等经验，所以是很多方面知识的汇集。

目前大多数螺纹接头的设计采用对标标杆车型来选用紧固件，其后设定拧紧扭矩，最终进行耐久验证，验证过程中出现松动异响等现象后，加大扭矩或更改螺栓规格甚至大动干戈去整改被连接件的结构和尺寸。

面临新材料应用，减重需求、安全舒适需求等新趋势，以往对标以及粗放型的螺纹接头设计理念面临着重大挑战。

如何保证可靠的设计、可靠的运行服役是相关从业者的责任和目标。

科学的螺纹接头设计模式称之为正向设计，是通过试验测试获得实际摩擦系数，测量预紧力损失等信息，通过非线性的计算校核软件——螺栓设计师专业版按照初选螺栓、确定拧紧系数;计算最小夹紧力;分解工作载荷/载荷因数;确定最小、最大装配预紧力;…直至计算拧紧扭矩等步骤进行计算校核。一般来说，简单的螺纹接头采用这种方法即可保证一定的可靠性设计。

针对复杂受力、存在受载变形行为、预紧力损失以及潜在自松行为的螺纹接头，还须利用有限元仿真来进行模拟，以获得进一步的信息，如具体受力、预紧力损失、松动等数据，再输入到计算校核软件中进行计算校核。同时，基于行业设计实践所获得的针对安全因子的选择也是获得可靠性设计的重要一环。

因此：螺纹接头正向设计应整合试验、计算与仿真分析，以此获得可靠的全寿命周期的设计方案。具体流程图如下：

在上述所列示的螺纹接头正向设计中，兹懋通过与德国最顶尖的螺纹接头设计团队(AFS-德国锡根大学)联合，与华测检测共建紧固连接技术全球领先的紧固连接样板实验中心，引入德国最先进的测试验证技术，已整合了从紧固连接设计->验证->优化全方位的解决方案。德国AFS开发的全球最新螺纹接头计算校核软件——螺栓设计师专业版代表了最顶尖及最便利的螺纹接头设计应用工具，德国AFS所具备的有限元仿真能力可通过对螺栓进行第3或4类建模，分析预紧力自松，预紧力损失，全寿命分析。同时，兹懋与德国合作设立中德连接技术学院，提供德国紧固件专业工程培训6大核心课程，提高国内从业人员的知识水平。

兹懋致力于专业提供紧固连接全寿命周期的软、硬件产品及服务，助力中国智能设计、 制造。

关于德国AFS先进连接技术研究所

德国AFS先进紧固技术研究(简称”AFS”)所位于德国中西部地区, 是德国众多紧固件制造厂所在地。依托德国锡根大学机械学院附属MVP 研究院强大的技术实力，AFS为全球客户提供紧固设计、开发、优化的专业技术支持和服务。可以针对底盘、发动机、内饰件、涡轮增压,、铝、镁和碳纤维复合材料

AFS汇聚了在紧固连接技术设计、仿真、计算、试验测试各方面的专家， 确保可以提供在传统工业技术上的强有力的支持。

AFS拥有大学和SFA (德国螺栓协会)深厚的专业学术研究背景 (德国紧固件协会的“出色的紧固件工程教育”培训基地 )，熟悉非常紧固件制造，物流，成本控制等客户的真实需求。