螺栓连接被广泛应用于国民经济的众多领域。而高强度螺栓连接更是应用于航空航天、国防建设等重要领域的关键连接部位,且对其预紧力的大小和准确性有严格要求,这是因为螺栓连接预紧力的精确控制可以增强连接系统的刚性、紧密性及防松能力,保证被连接件的可靠性、安全性和预期的抗疲劳强度。带有预载指示垫圈的螺栓连接能够在保证螺栓强度的前提下通过简单预紧操作实现预紧力的精确控制。与国外研究相比,我国对螺栓连接预载指示垫圈的研究有明显差距,主要表现在:1)内圈材料常温下的塑性段强化效应比较明显,导致预紧工作区间很小,不利于精准控制预紧力;2)预载指示垫圈关键尺寸和精度设计原理和方法尚未完全掌握。为弄清其设计思想、设计机理,实现预载指示垫圈产品的自主设计和制造,本文开展了如下研究工作:基于产品服役工况对材料性能的要求,选取40Cr Ni Mo A合金结构钢作为预载指示垫圈的材料,通过热处理实验和单轴拉伸实验确定了材料热处理工艺,建立了材料的弹塑性本构方程;构建了带有预载指示垫圈组的螺栓连接系统等效力学模型,基于均匀变形和体积不变假设,并根据产品连接工况和预紧工艺要求,提出了预载指示内外圈结构尺寸的确定原理和方法;通过分析材料性能一致性和结构尺寸一致性对预紧力精确度的影响,提出了预载指示内外圈尺寸精度等级确定方法;为弥补材料硬化效应带来预紧工作区间过窄、预紧力难以精确控制等问题,提出了内圈结构修形方案,建立了基于有限元法的内圈结构尺寸优化模型,用Matlab优化工具箱进行优化,计算结果表明优化修形可以拓宽预紧工作区间,有效改善预紧力曲线的平稳性,很大程度降低内圈塑性变形段载荷特性对材料性能的依赖性,扩大了材料的可选范围,为螺栓连接预载指示垫圈设计制造提供了全新的解决方案。本文研究了螺栓连接预载指示垫圈的正向设计原理和方法,提出了关键部件的结构尺寸设计与优化方法,对实现预载指示垫圈的自主研制、推动国内高强度紧固件领域的发展具有一定的理论意义和重要工程实用价值。