EN 13445-3 ,The Direct Route‘ - tuev-sued.de · (linear elastisch – ideal plastisch) ... z.B. Verknüpfung von Werkstoffserver und FE-Programm . EN13445-3 ‚The Direct Route‘

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


Zukunft der FEM-Simulation ?

FEM


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.


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


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


Komplexe Berechnungen:

z.B. Festigkeitsnachweise Flansche, Luftkühler, Lastwechselberechnungen


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)


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


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


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 !


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


III. Berechnungsbeispiel nach EN13445-3 Anhang B

Tangentialer Stutzen in gewölbtem Boden

Innendruck und Kräfte / Momente am StutzenendeInnendruck und Kräfte / Momente am Stutzenende


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.


Randbedingungen:

Materialverhalten: linear elastisch – ideal plastisch


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).


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.


Auswertung / Darstellung der Dehnungen






Konvergenzkriterium überschritten :

Die Berechnung wurde abgebrochen bei ~ 66 % der vorgegebenen Lasten.


Konvergenzkriterium überschritten.

Zulässige Last

Die zulässige Last beträgt ~53 % der vorgegebenen Last (Dehnung < 5 %)


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.


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.


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.


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)


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

Documents

EN 13445-3 ,The Direct Route‘ - tuev-sued.de · (linear elastisch – ideal plastisch) ... z.B. Verknüpfung von Werkstoffserver und FE-Programm . EN13445-3 ‚The Direct Route‘