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　　本研究探讨了螺栓等级对风力发电支撑结构中T型法兰接头结构性能的影响。研究人员开发了一个非线性有限元模型（nonlinear finite element model, NFEM），在相同载荷和边界条件下比较了Grade 10.9和Grade 12.9螺栓。结果

　　本研究探讨了螺栓等级对风力发电支撑结构中T型法兰接头结构性能的影响。研究人员开发了一个非线性有限元模型（nonlinear finite element model, NFEM），在相同载荷和边界条件下比较了Grade 10.9和Grade 12.9螺栓。结果表明，与Grade 10.9螺栓相比，使用Grade 12.9螺栓使反力增加12.3%，螺栓应力增加21%，螺栓应变增加18.7%，法兰应变增加20.0%，塔筒壳体应变增加18%，塔筒壳体应力增加11.2%。采用外部载荷-螺栓力Z-Fs关系（其中Z表示施加的外部拉伸载荷，F

　　表示相应的内部轴向螺栓力）评估了加载过程中螺栓力发展和载荷传递。Z-Fs关系进一步表明，在设计外部拉伸载荷下，Grade 12.9螺栓的内部螺栓力增加了13.7%。这些结果表明，Grade 12.9螺栓提高了载荷传递能力和接头抗力，但也增加了连接法兰和塔筒壳体的应力和应变需求。因此，较高等级的螺栓应在完整的接头系统中进行评估，而非仅基于螺栓强度。

　　**论文解读：基于不同螺栓等级的T型法兰接头轴向拉伸结构性能对比研究**

　　随着全球可再生能源需求的增长，风力发电技术加速发展，尤其是海上风电机组，其支撑结构承受轴向力、弯矩、剪切及循环环境载荷。螺栓法兰接头因高载荷传递能力、装配便利性而广泛应用于塔筒连接、塔筒-基础界面及单桩-过渡段。然而，现有研究多集中于L型法兰或简化模型，缺乏对完整T型法兰接头（T-flange joint）在不同螺栓等级下的系统对比。Grade 10.9和Grade 12.9高强螺栓虽被常用，但螺栓强度提升是否成比例地提高整体接头性能尚不明确。此外，高等级螺栓可能将更大载荷传递至相邻法兰和塔筒壳体，导致失效模式转移。因此，需在完整系统层面评估螺栓等级的影响。本研究针对5.5 MW风电机组支撑结构，通过非线性有限元分析，比较Grade 10.9与Grade 12.9螺栓在轴向拉伸载荷下的结构性能，旨在明确螺栓强度提升对刚度、变形、应力分布及失效趋势的影响。论文发表在《Journal of Marine Science and Engineering》。

　　研究人员采用ANSYS Mechanical 2026R1建立三维非线性有限元模型，包含塔筒壳体、法兰板及高强预紧螺栓。模型采用六面体单元，关键区域（螺栓杆、螺栓孔、法兰接触面）局部细化，经网格敏感性分析后采用约275,000个单元。材料非线性通过双线性等向硬化模型定义，螺栓屈服强度：Grade 10.9为900 MPa，Grade 12.9为1080 MPa；法兰和塔筒壳体采用结构钢。接触定义包括法兰面间摩擦接触（摩擦系数μ=0.2）、螺栓头/螺母与法兰面接触，采用增强拉格朗日算法。螺栓预紧力按Eurocode 3计算，分别施加于两种螺栓。边界条件为一端固定，另一端施加单调递增轴向拉伸载荷至1700 kN。通过对比两种螺栓的力-位移响应、螺栓应力/应变、法兰应变、塔筒壳体应变/应力及Z-Fs关系（外部载荷-螺栓力曲线）评估结构性能。

　　通过力-位移曲线对比发现，Grade 12.9螺栓组件的反力比Grade 10.9高出12.3%。初始线性段两者相似，但Grade 10.9较早进入非线保持更陡斜率，表明其延缓了塑性变形，维持了更高接头刚度。该差异源于Grade 12.9螺栓更高的屈服强度，减少了螺栓伸长，保持了法兰面接触压力，增强了摩擦载荷传递。但反力增幅（12.3%）低于螺栓极限强度增幅（19.6%），说明接头整体抗力受法兰弯曲、壳体变形及接触行为共同限制。

　　Grade 12.9螺栓的应力比Grade 10.9高21%，表明其吸引了更大载荷份额；应力分布更均匀，而Grade 10.9出现早期应力集中。螺栓应变方面，Grade 10.9最大应变为5335 με，超过其屈服应变（4500 με）约10-12%，进入塑性；Grade 12.9应变为6332 με，接近其屈服应变（5400 με），仍主要处于弹性或刚屈服状态。两者均进入塑性，但Grade 12.9的更高屈服应变阈值延缓了屈服，允许螺栓在更大载荷下保持刚度。耦合螺栓-法兰屈服机制导致整体抗力增幅小于螺栓强度增幅。

　　法兰应变从Grade 10.9的5091.5 με增至Grade 12.9的6109.8 με，增幅约20.0%。Grade 12.9螺栓因更高屈服强度，更有效传递载荷至法兰，导致法兰变形需求增大。但该应变并非性能劣化，而是强螺栓参与载荷分担的结果。同时，Grade 12.9螺栓的更高预紧力增强了法兰接触压力，使法兰更积极抵抗载荷。

　　Grade 12.9螺栓导致塔筒壳体应变增加18%，应力增加11.2%。这是因为高强螺栓限制了自身变形，将更多载荷传递至壳体。但两种工况下塔筒壳体最大应变均低于屈服应变（约1876 με），处于弹性范围，未发生屈服。这表明壳体仍安全，但设计时需校核失效模式是否会从螺栓屈服转移至壳体或法兰屈服。

　　在设计外部拉伸载荷（2060 kN）下，Grade 12.9螺栓的内部螺栓力（3440 kN）比Grade 10.9（3160 kN）高13.7%。Z-Fs曲线螺栓的初始预紧力更高，且随载荷增加内部力增长更陡，表明其载荷传递效率更高。该结果与应力、应变结果一致，验证了高强螺栓更强的载荷参与能力。

　　讨论部分指出，螺栓等级提升虽改善了接头抗力与载荷传递，但同时也增加了法兰和塔筒壳体的应力应变需求，因此不能仅凭螺栓强度评估。实际工程中，Grade 12.9螺栓的选用需考虑法兰和壳体抗力、安装设备、扭矩控制、维护及全生命周期成本。本研究结论翻译如下：

　　本研究调查了螺栓等级对风力发电支撑结构中T型法兰接头结构性能的影响。在ANSYS Mechanical中开发了非线性有限元模型，在相同几何、连接部件材料属性、接触条件、边界条件、螺栓预紧程序及轴向拉伸弯曲载荷下比较Grade 10.9和Grade 12.9螺栓。主要结论如下：

　　- 力-位移响应显示，Grade 12.9螺栓组件的反力比Grade 10.9高12.3%，提高了整体载荷承载力，主要归因于更高的屈服和抗拉能力延缓了非线性变形。

　　- 螺栓应力结果：Grade 12.9螺栓应力高21%，表明其吸引了更大载荷份额；Grade 10.9螺栓应力较低与早期非线性变形有关。

　　- 螺栓应变：最大应变从5335 με增至6332 με，Grade 12.9螺栓在更高载荷下仍能保持承载能力。

　　- 控制响应为耦合螺栓-法兰屈服机制，而非纯螺栓控制失效，解释了整体抗力增幅小于螺栓强度增幅。

　　- 塔筒壳体应变增加18%，应力增加11.2%，但壳体始终处于弹性范围。

　　- Z-Fs关系证实Grade 12.9螺栓在外部拉伸载荷下具有更强的螺栓力发展和载荷传递效率，内部螺栓力高13.7%。

　　总体而言，将螺栓等级从10.9提升至12.9改善了T型法兰接头的结构抗力、螺栓载荷参与和载荷传递能力，但伴随法兰和壳体应力应变需求增加。因此，Grade 12.9螺栓的使用应在完整接头系统中评估，确保失效模式不从螺栓屈服转移至法兰或壳体变形。本研究比较限于结构性能，不构成完整工业优化；实际选型应综合考虑机械能力、法兰和壳体抗力、安装设备、维护及全生命周期成本。基于本研究结果，Grade 12.9螺栓可视为改善T型法兰接头结构性能的有效选择，但采用时需对连接法兰和塔筒壳体进行仔细设计验证。