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Berechnung von Flanschen nach der Finite-Elemente-Methode

Referent: Susanne Schmeißer, CADFEM GmbH

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Vergleich der Berechnung zu üblichen Festigkeitsberechnungen

Susanne Schmeißer, CADFEM GmbH (sschmeisser@cadfem.de)Gerd Lannewehr, Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG (mail@gerd-lannewehr.de)

Themenübersicht

• Betrachtung der diversen Flanschberechnungen• AD 2000-Merkblatt B7/B8• DIN EN 1591-1• VDI 2230-2• ASME Section VIII Div.1 App.2 und VIII Div.2 App.4.16• ®flangevalid / ANSYS

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®

• Modellierung einer Flanschverbindung mit flangevalid-System-Designer 3D

• Flanschberechnungen mit der ANSYS Workbench

AD 2000-Merkblatt B7/B8 (+B0) // reiner Festigkeitsnachweis

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2

1 Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur □2 Flanschaufweitung durch Druck/Temperatur □3 Druckkraft auf System ◙ B8 1)

4 Flanschbiegung durch Schraubenvorspannkraft ■ B85 Schraubenbiegung durch Flanschblattneigung □6 Hebelarm für Flanschblattneigung ◙ B8 2)

7 Schraubenvorspannkraft ■ B7Montage ■ B7Prüfung ■ B7Betrieb ■ B7

A Flanschblattdicke ■ B8B Schraubenabmessung ■ B7C Dichtfläche ◙ B7 3)1) unrealistisch Fläche mittlerer Dichtungsdurchmesser2) unrealistisch immer Dichtungs- zu Schraubenmitte, er müsste am

5

7C

I

IVV

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2

3

4unrealistisch immer Dichtungs- zu Schraubenmitte, er müsste am Dichtungsaußenrand liegen

3) unrealistisch unabhängig von FlanschblattneigungDichtheitsnachweis □Kräfteverteilung gleichmäßig, unrealistisch ■

variabel, realistisch □

6

A

Flächenpressung: Dichtung ◙ B7 1)

Bördel, Plattierung oder Auskleidung □Unterlegscheibe (falls vorhanden) □Mutternauflage □1) gemittelt ohne Berücksichtigung des Hebelarmes

Rohrkräfte ◙ B7 1)

Torsion und/oder Biegemomente □Wärmeausdehnung □1) unrealistischer Ansatz, keine Berücksichtigung der angeschlossenen Schale

Bauteile/Bauteilefestigkeit:I Flansche ■ B8II Dichtung ◙ B7 1)

Setzverhalten/Relaxation □III Schrauben ◙ B7 2) 3)

IV Muttern □ B7V U-Scheiben (falls vorhanden) □VI Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) □1) Festgelegte Werte abweichend von Herstellerangaben2) Sicherheitsfaktor? Dehnschrauben = 1,5, Vollschaftschrauben = 1,83) Sonderzuschlag C5 für Betrieb nur für Vollschaftschrauben

B

C

IIIII

VI

□ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst ■ erfasst

DIN EN 1591-1 // keine Apparateflansche, Probleme mit Metalldichtungen

1

2

5

1 Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur □2 Flanschaufweitung durch Druck/Temperatur □3 Druckkraft auf System ■4 Flanschbiegung durch Schraubenvorspannkraft ■5 Schraubenbiegung durch Flanschblattneigung ◙6 Hebelarm für Flanschblattneigung ◙7 Schraubenvorspannkraft ■

Montage ■Prüfung ■Betrieb ■

A Flanschblattdicke ■B Schraubenabmessung ■C Dichtfläche ■7I

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4

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A

C Dichtfläche ■Dichtheitsnachweis ■Kräfteverteilung gleichmäßig, unrealistisch ■

variabel, realistisch □Flächenpressung: Dichtung ■Bördel, Plattierung oder Auskleidung □Unterlegscheibe (falls vorhanden) □Mutternauflage □

Rohrkräfte ◙ 1)

Torsion und/oder Biegemomente □Wärmeausdehnung □1) unrealistischer Ansatz, keine Berücksichtigung der angeschlossenen Schale

Bauteile/Bauteilefestigkeit:I Flansche ■II Dichtung ■

Setzverhalten/Relaxation ■III Schrauben ■IV Muttern □V U-Scheiben (falls vorhanden) □VI Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) □

B

CI

IIIII

VI

□ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst ■ erfasst

VDI 2230-2 // berechnet keine Flansche mit Dichtungen im Krafthauptschluss

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1 Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur □2 Flanschaufweitung durch Druck/Temperatur □3 Druckkraft auf System □4 Flanschbiegung durch Schraubenvorspannkraft □5 Schraubenbiegung durch Flanschblattneigung □6 Hebelarm für Flanschblattneigung □7 Schraubenvorspannkraft □

Montage □Prüfung □Betrieb □

A Flanschblattdicke □B Schraubenabmessung □C Dichtfläche □7I

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A

C Dichtfläche □Dichtheitsnachweis □Kräfteverteilung gleichmäßig, unrealistisch □

variabel, realistisch □Flächenpressung: Dichtung □Bördel, Plattierung oder Auskleidung □Unterlegscheibe (falls vorhanden) □Mutternauflage □

Rohrkräfte □Torsion und/oder Biegemomente □Wärmeausdehnung □

Bauteile/Bauteilefestigkeit:I Flansche □II Dichtung □

Setzverhalten/Relaxation □III Schrauben □IV Muttern □V U-Scheiben (falls vorhanden) □VI Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) □

B

CI

IIIII

VI

□ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst ■ erfasst

ASME Section VIII Div.1 App.2 und VIII Div.2 App.4.16 - reiner Festigkeitsnachweis -

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1 Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur □2 Flanschaufweitung durch Druck/Temperatur □3 Druckkraft auf System ■4 Flanschbiegung durch Schraubenvorspannkraft □5 Schraubenbiegung durch Flanschblattneigung □6 Hebelarm für Flanschblattneigung ■7 Schraubenvorspannkraft ■

Montage ■Prüfung ■Betrieb ■

A Flanschblattdicke ■B Schraubenabmessung ■C Dichtfläche ■

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4C Dichtfläche ■Dichtheitsnachweis □Kräfteverteilung gleichmäßig, unrealistisch ■

variabel, realistisch □

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A

B

C

Flächenpressung: Dichtung ■Bördel, Plattierung oder Auskleidung □Unterlegscheibe (falls vorhanden) □Mutternauflage □

Rohrkräfte ◙ 1)

Torsion und/oder Biegemomente □Wärmeausdehnung □1) unrealistischer Ansatz, keine Berücksichtigung der angeschlossenen Schale

Bauteile/Bauteilefestigkeit:I Flansche ■II Dichtung ■

Setzverhalten/Relaxation □III Schrauben ■IV Muttern □V U-Scheiben (falls vorhanden) □VI Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) □

I

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□ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst ■ erfasst

®flangevalid / ANSYS

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1 Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur ■2 Flanschaufweitung durch Druck/Temperatur ■3 Druckkraft auf System ■4 Flanschbiegung durch Schraubenvorspannkraft ■5 Schraubenbiegung durch Flanschblattneigung ■6 Hebelarm für Flanschblattneigung ■7 Schraubenvorspannkraft ■

Montage ■Prüfung ■Betrieb ■

A Flanschblattdicke ■B Schraubenabmessung ■C Dichtfläche ■I

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A

B

CC Dichtfläche ■Dichtheitsnachweis ■Kräfteverteilung gleichmäßig, unrealistisch □

variabel, realistisch ■Flächenpressung: Dichtung ■Bördel, Plattierung oder Auskleidung ■Unterlegscheibe (falls vorhanden) ■Mutternauflage ■

Rohrkräfte ■Torsion und/oder Biegemomente ■Wärmeausdehnungen ■

Bauteile/Bauteilefestigkeit:I Flansche ■II Dichtung ■

Setzverhalten/Relaxation ■III Schrauben ■IV Muttern ■V U-Scheiben (falls vorhanden) ■VI Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) ■

I

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□ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst ■ erfasst

Vergleich der Berechnungen

• Bauteile und Bauteilefestigkeit

Bauteile und Bauteilefestigkeit AD 2000 B7/B8

EN 1591-1

VDI 2230-2

ASME Sec. VIII

flangevalid ANSYS

Flansche ■ ■ □ ■ ■Dichtungen ◙ ■ □ ■ ■

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Dichtungen ◙ ■ □ ■ ■Setzverhalten der Dichtungen / Relaxation □ ■ □ □ ■Schrauben ◙ ■ □ ■ ■Muttern □ □ □ □ ■Unterlegscheiben (falls vorhanden) □ □ □ □ ■Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) □ □ □ □ ■

□ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst ■ erfasst

Vergleich der Berechnungen

• Flächenpressungen, Zusatzkräfte und Wärmeausdehnung

Flächenpressungen, Zusatzkräfte und Wärmeausdehnung

AD 2000 B7/B8

EN 1591-1

VDI 2230-2

ASME Sec. VIII

flangevalid ANSYS

Dichtung ◙ ■ □ ■ ■Bördel, Plattierung oder Auskleidung □ □ □ □ ■

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Bördel, Plattierung oder Auskleidung □ □ □ □ ■Unterlegscheibe (falls vorhanden) □ □ □ □ ■Mutternauflage □ □ □ □ ■Rohrkräfte ◙ ◙ □ ◙ ■Torsion und/oder Biegemomente □ □ □ □ ■Wärmeausdehnung □ □ □ □ ■Dichtheitsnachweis □ ■ □ □ ■Kräfteverteilung ◙ ◙ □ ◙ ■

□ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst ■ erfasst

Abmessungen und Anforderungen an das Flanschsystem

AD 2000 B7/B8

EN 1591-1

VDI 2230-2

ASME Sec. VIII

flangevalid ANSYS

Flanschblattdicke ■ ■ □ ■ ■Schraubenabmessung ■ ■ □ ■ ■

Vergleich der Berechnungen

• Abmessungen und Anforderungen an das Flanschsystem

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■ ■ □ ■ ■Dichtfläche ◙ ■ □ ■ ■Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur □ □ □ □ ■Flanschaufweitung aus Druck/Temperatur □ □ □ □ ■Druckkraft auf das System ◙ ■ □ ■ ■Flanschbiegung durch Schraubenkraft ◙ ◙ □ □ ■Schraubenbiegung durch Flanschblattneigung □ ◙ □ □ ■Hebelarm für Flanschblattneigung ◙ ◙ □ ■ ■Schraubenvorspannkraft ■ ■ □ ■ ■

10□ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst ■ erfasst

• Verformung unter Temperatur und DruckQuelle: PVP2005-71340

Case study of Temperature Analysisin a 48“ Diameter Heat Exchanger Flange

®flangevalid / ANSYS

© CADFEM 2016

Die Flanschbiegung durch die Schrauben muss größer sein als das Biegen des Flansches durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung, sonst kippt der Flansch weiter und die Schrauben werden entlastet. Ist der Flansch nicht ausreichend vorgespannt wirkt der Innendruck ähnlich.

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Fazit

Flanschverbindungen mit Dichtungen im Krafthaupt- und Kraftnebenschluss sind für eine analytische Berechnung zu komplex.

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Nur über Berechnungen nach der Finite Elemente Methodekönnen die tatsächlichen Anforderungen an eine Flanschverbindung

sinnvoll berechnet werden.

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®flangevalid : Modellierung einer Flanschverbindung

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flangevalid-System-Designer 3D

• Normgerechte Flansche, Dichtungen, Schrauben, Muttern, Unterlegscheibenund Dehnhülsen

• CAD-Export

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Flanschberechnungen mit der ANSYS

Workbench

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Ablauf der Flanschberechnung

0. CAD-Import1. Materialien 2. Vernetzung3. Simulation 1:

thermisch, stationärTemperaturverlauf über die

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Temperaturverlauf über die Bauteile

4. Simulation 2:statisch-mechanischaufbauend auf Simulation 1Verformungen, Spannungen,Schraubenkräfte,Dichtungsgüte

Schritt 1: Material – Temperaturabhängige Definition

• E-Modul & Querkontraktionszahl(temperaturabhängig):

• Streckgrenze & Zugfestigkeit:

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• Thermische Leitfähigkeit(Temperaturabhängigkeit optional):

• Thermischer Ausdehnungskoeffizient:

• Dichte

Schritt 1: Material – Dichtungskennwerte (temperaturabhängig)

• Materialmodell für Dichtungen

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(Herstellerangaben Moeller Metalldichtungen)

Weitere Angaben:DichteThermische Leitfähigkeit

Schritt 2: Vernetzung

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Schritt 3: Simulation 1 – Temperaturprofil

• Simulation 1: Temperaturverlauf über Bauteile

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Schritt 4: Ablauf der Simulation 2

1. Lastschritt: Temperaturmapping auf die Bauteile

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2. Lastschritt: Anziehen der Schrauben3. Lastschritt: Aufbringen des Innendrucks und externer Kräfte4. Lastschritt: Aufbringen zusätzlicher externer Kräfte und Momente

Schraubenvorspannkräfte

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Innendruck

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Externe Kräfte und Momente

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Ergebnis: Von Mises Spannung Flanschverbindung

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Ergebnis: Flächenpressung der Dichtungunter Berücksichtigung externer Zusatzlasten

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Ergebnis: Verformung der Dichtung in Z-Richtung (Axialrichtung)unter Berücksichtigung externer Zusatzlasten

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Ergebnis: Schraubenkräfte

unterschiedliche Belastungen können zur Bewertung abgelesen werden

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Ergebnis: Schraubenkräfte

77100

77200Schraubenkraft

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76600

76700

76800

76900

77000

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Schr

aube

nkra

ft[N

]

Zeitschritt

{Innendruck} {Zusätzliche Kräfteund Momente}

Bolt Assessment inside ANSYS – Schraubenbewertung nach VDI 2230

ermittelte Kräfte

Parameter

Hinter-grund

Vordergrund

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Sicherheiten

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Simulation macht vieles möglichGemeinsam holen wir das Beste heraus

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