EN 13445-3 ,The Direct Route‘
Anhang B bei komplexen Spannungsverhältnissen
11 Europäische Druckgerätetage11. Europäische Druckgerätetage Symposium am 30. Juni – 1. Juli 2015
Fürstenfeldbruck
EN13445-3 ‚The Direct Route‘
Zukunft der FEM-Simulation ?
FEM
EN13445-3 ‚The Direct Route‘
Zukunft der FEM-Simulation ?
FEM
EN13445-3 ‚The Direct Route‘
I. Einleitung
Bei der konstruktiven Auslegung und Optimierung von Apparaten undverfahrenstechnischen Anlagen wird zunehmend die FE-Methode ange-wendet.Analytische Berechnungen werden häufig zur Auslegung von Standard-konstruktionen sowie zur Vorauslegung von Sonderkonstruktionen angewen-konstruktionen sowie zur Vorauslegung von Sonderkonstruktionen angewendet, wohingegen durch die FE-Analyse Detailbereiche oder von der Normabweichende Geometrien untersucht bzw. nachgewiesen werden können.
Insbesondere der Anhang B der Euronorm 13445-3 bietet Vorteile bei derBerechnung von komplexen Geometrie- bzw. Spannungsverhältnissen.
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Grundgedanken des Vortrags
1. Einsatz von FEM-Nachweisen im Apparatebau / Verfahrenstechnik1. Einsatz von FEM Nachweisen im Apparatebau / Verfahrenstechnik
2. Vorstellung EN 13445-3 Anhang B
3. Anwendung EN 13445-3 Anhang B
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Einsatz FEM-Nachweis im Apparatebau / Verfahrenstechnikpp /- Auswahl von Standardberechnungsfällen
z.B. Festigkeitsnachweise: Behälter auf Sattel / Pratzen, Kräfte / Momente an Stutzen, Rechteckkammern; Stabilitätsnachweise z.B. Außendruck
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Komplexe Berechnungen:
z.B. Festigkeitsnachweise Flansche, Luftkühler, Lastwechselberechnungen
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Angewendete Normen / Berechnungsvorschriften
AD 2000 Merkblatt S4 EN 13445-3 Anhang Cg ASME VIII Div. 2 EN 13445-3 Anhang B
Bisher keine direkte kundenseitige Anfrage nach FEM-Analyse entsprechendEN13445-3 Anhang B (-> relativ unbekanntes Verfahren)
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II. Durchführung FEM Analyse
Prinzipieller Ablauf einer FEM-Simulation
Berechnungsbasis (3D-CAD-Modell)
Überführung CAD-Modell in FE-Modell
Festlegung Berechnungsmodell (z.B. Schalenmodell / Volumenmodell)
Festlegung Materialmodell (Werkstoffeigenschaften)
Festlegung der Randbedingungen und Lasten (z.B. Lagerung und Kräfte)
Durchführung der Berechnung (Lösung des Gleichungssystems)
Auswertung / Bewertung von Spannungen, Dehnungen, Verformungen
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Auswertung nach AD2000 / EN13445-3 Anhang C / ASME VIII Div 2
Ergebnisanalyse basiert auf der Spannungskategorisierung
Auswertung nach AD2000 / EN13445 3 Anhang C / ASME VIII Div. 2
Ergebnisanalyse basiert auf der SpannungskategorisierungUnterteilung in lokale und globale BereicheUnterteilung in Membran-, und BiegespannungenUnterteilung in Primär-, Sekundär- und Spitzenspannungeng , p p g
Membran + Biegung
Membran
g g
Biegung
Hoher Aufwand bei der Ergebnis-Auswertung. Kleine konstruktive Änderungen
können eine komplette Neuerstellung der Analyse erfordern z.B. globaler Bereichkönnen eine komplette Neuerstellung der Analyse erfordern z.B. globaler Bereich
wird zu lokalem Bereich
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II. Durchführung FEM Analyse nach EN13445-3 Anhang B
Nachweise der EN13445-3 Anhang B (zeitunabhängige Festigkeitskennwerte):
Tragfähigkeitsnachweis (unzulässige örtliche Dehnung)
Einspielnachweis (fortschreitende plastische Deformation)
Ermüdungsnachweis (zyklische Ermüdung)g ( y g)
Stabilitätsnachweis (z.B. Knicken, Beulen, …)
Standsicherheitsnachweis (Ausreichende Verankerung)
Alle Nachweise sind zu berücksichtigen !
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Tragfähigkeitsnachweis
Verwendung von nichtlinearem Werkstoffgesetz. (linear elastisch – ideal plastisch) Trescasche Fließbedingung (Umrechnungsfaktor zu Mises Spannung )23 Trescasche Fließbedingung (Umrechnungsfaktor zu Mises-Spannung ) Verwendung von Teilsicherheitsfaktoren Proportionale Zunahme aller Einwirkungen aus dem spannungsfreien
Ausgangszustand
23
Ausgangszustand Grenzwert der Hauptstrukturdehnung 5% (Betrieb) bzw. 7% (Prüfung)
Entwicklung von Hilfstools um die Bearbeitung zu vereinfachenEntwicklung von Hilfstools, um die Bearbeitung zu vereinfachen …
z.B. Verknüpfung von Werkstoffserver und FE-Programm
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III. Berechnungsbeispiel nach EN13445-3 Anhang B
Tangentialer Stutzen in gewölbtem Boden
Innendruck und Kräfte / Momente am StutzenendeInnendruck und Kräfte / Momente am Stutzenende
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Vernetzung als Schalenmodell:
V d S h l d ll bi t t V t il b i dVerwendung von Schalenmodell bietet Vorteile bei der
Berechnungsdauer sowie bei der Vermeidung von
Spitzenspannungen aufgrund von KerbwirkungenSpitzenspannungen aufgrund von Kerbwirkungen.
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Randbedingungen:
Materialverhalten: linear elastisch – ideal plastisch
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Randbedingungen: Definition Lasten
L t [N]Last [N]
Fx, Fy, Fz
Zeit [s]
Lasten (Kräfte, Momente, Drücke …) werden proportional und linear bis zum vorgegebenen
Lastmaximum gesteigert. Maximum z.B. beim Zeitpunkt (1).
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Konvergenzverhalten:
K h l k äh d d Si l i üb h d Ei i h k i d B hKonvergenzverhalten kann während der Simulation überwacht werden. Eine nicht konvergierende Berechnung
kann folgende Ursachen haben:
Max. Dehnung überschritten -> letzter konvergierter Zwischenschritt zur Auswertung verwenden;
Randbedingungen der Simulation prüfen.
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Auswertung / Darstellung der Dehnungen
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Auswertung / Darstellung der Dehnungen
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Auswertung / Darstellung der Dehnungen
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Konvergenzkriterium überschritten :
Die Berechnung wurde abgebrochen bei ~ 66 % der vorgegebenen Lasten.
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Konvergenzkriterium überschritten.
Zulässige Last
Die zulässige Last beträgt ~53 % der vorgegebenen Last (Dehnung < 5 %)
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EN13445-3 Anhang B
Vorteile der Berechnung:
Keine Probleme bei der Kategorisierung von Spannungen.Man erhält direkt eine Aussage über die maximal zulässige Lasten.
Nachteile der Berechnung:
Nichtlineare Berechnung erforderlich -> erhöhter RechenaufwandNichtlineare Berechnung erforderlich > erhöhter Rechenaufwand.Teilweise umfangreiche Berechnungen notwendig (Einzelnachweise)Erfordert häufig tieferes Fachwissen bezüglich der zugrunde gelegten Theorie.
Ei b i h i bhä i St ll it t h d B fähiEinbeziehen einer unabhängigen Stelle mit entsprechender Befähigung,
bis ausreichende Erfahrungen vorliegen.
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Vergleich Bearbeitungszeit
EN13445‐3 (Anhang B)
Vorbereitung
AD2000 S4
BerechnungAuswertungDokumentation
0 5 10 150 5 10 15
großes Optimierungspotential „Berechnung“ bei EN13445-3 Anhang B
durch Verwendung von HPC / Cloud Computing.
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IV. Zusammenfassung
Die Anwendung der Berechnungsvorschrift EN13445-3 erfordert zunächsteinen erhöhten Aufwand bei der Vorbereitung bzw. Konfiguration des FEM-Berechnungslaufs sowie bei der Überwachung des Konvergenzverhaltens. DieRechenzeit ist stark abhängig vom untersuchten Modell und von dereingesetzten Rechenleistung. Die Auswertung / Analyse der Ergebnisse istvergleichsweise zeitsparend.
Es wird noch einige Zeit dauern, bis Berechnungen nach Anhang B verbreitetzum Einsatz kommen werden.
Durch die ständig steigende Rechenleistung von Computer-Systemen sowieder Einsatz von Cloud-Computing wird der erhöhte Rechenaufwand für diep gFE-Analyse nach Anhang B kompensiert, wodurch zukünftig von einervermehrten Anwendung dieses Ansatzes auszugehen ist.
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V. Referenzen / Literatur
P V l D i Th Di t R t Pressure Vessel Design: The Direct RouteJosef L. Zeman, Franz Rauscher, Sebastian Schindler (ELSEVIER)
Seminarunterlagen Numerische Analysen bei DruckgerätenDr.-Ing. Sebastian Schindler TÜV-Austria Services GmbH
A Comparison Study of Pressure Vessel Design Using Different StandardsFrode Tjelta Askestand (LAP LAMBERT Academic Publishing)j ( g)
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.
Weitere Information im Internet unter:
www LV Soft dewww.LV-Soft.de
Lauterbach Verfahrenstechnik GmbH Email: [email protected] Tel. 0721-978220
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