Flanschberechnungen mit der ANSYS Workbench

Berechnung
von Flanschen
nach Klicken
der Finite-Elemente-Methode
Titelmasterformat
durch
bearbeiten
Vergleich
Berechnung
zu üblichen
Festigkeitsberechnungen
Referent: der
Susanne
Schmeißer,
CADFEM
GmbH
Susanne Schmeißer, CADFEM GmbH ([email protected])
Gerd Lannewehr, Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG ([email protected])
© CADFEM 2016
1
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
• Modellierung einer Flanschverbindung mit flangevalid-System-Designer 3D
• Flanschberechnungen mit der ANSYS Workbench
© CADFEM 2016
2
AD 2000-Merkblatt B7/B8 (+B0) // reiner Festigkeitsnachweis
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
1
5
IV
V
I
III
II
C
4
unrealistisch Fläche mittlerer Dichtungsdurchmesser
unrealistisch immer Dichtungs- zu Schraubenmitte, er müsste am
Dichtungsaußenrand liegen
3) unrealistisch unabhängig von Flanschblattneigung
Dichtheitsnachweis
Kräfteverteilung gleichmäßig, unrealistisch
variabel, realistisch
Flächenpressung:
Dichtung
Bördel, Plattierung oder Auskleidung
Unterlegscheibe (falls vorhanden)
Mutternauflage
VI
A
1)
1)
6
◙ teilweise erfasst
■ erfasst
2)
3)
© CADFEM 2016
■
□
◙
□
□
□
B7 1)
◙
□
□
B7 1)
■
◙
□
◙
□
□
□
B8
B7 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)
1)
□
gemittelt ohne Berücksichtigung des Hebelarmes
Rohrkräfte
Torsion und/oder Biegemomente
Wärmeausdehnung
□ nicht erfasst
B8 2)
B7
B7
B7
B7
B8
B7
B7 3)
2)
3
B
B8 1)
B8
1)
7
2
□
□
◙
■
□
◙
■
■
■
■
■
■
◙
B7 2) 3)
B7
Festgelegte Werte abweichend von Herstellerangaben
Sicherheitsfaktor? Dehnschrauben = 1,5, Vollschaftschrauben = 1,8
Sonderzuschlag C5 für Betrieb nur für Vollschaftschrauben
3
DIN EN 1591-1 // keine Apparateflansche, Probleme mit Metalldichtungen
1
5
IV
V
I
III
7
2
II
C
4
3
VI
A
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
Dichtheitsnachweis
Kräfteverteilung gleichmäßig, unrealistisch
variabel, realistisch
Flächenpressung:
Dichtung
Bördel, Plattierung oder Auskleidung
Unterlegscheibe (falls vorhanden)
Mutternauflage
□
□
■
■
◙
◙
■
■
■
■
■
■
■
■
Rohrkräfte
Torsion und/oder Biegemomente
Wärmeausdehnung
◙
□
□
1)
B
□ nicht erfasst
© CADFEM 2016
◙ teilweise erfasst
6
■ erfasst
■
□
■
□
□
□
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)
■
■
■
■
□
□
□
4
VDI 2230-2 // berechnet keine Flansche mit Dichtungen im Krafthauptschluss
1
5
IV
V
I
III
7
2
II
C
4
3
VI
A
B
□ nicht erfasst
© CADFEM 2016
◙ teilweise erfasst
6
■ erfasst
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
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)
□
□
□
□
□
□
□
□
□
□
□
□
□
5
ASME Section VIII Div.1 App.2 und VIII Div.2 App.4.16 - reiner Festigkeitsnachweis -
1
5
IV
V
I
III
7
2
II
C
4
3
VI
A
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
Dichtheitsnachweis
Kräfteverteilung gleichmäßig, unrealistisch
variabel, realistisch
Flächenpressung:
Dichtung
Bördel, Plattierung oder Auskleidung
Unterlegscheibe (falls vorhanden)
Mutternauflage
□
□
■
□
□
■
■
■
■
■
■
■
■
□
Rohrkräfte
Torsion und/oder Biegemomente
Wärmeausdehnung
◙
□
□
1)
B
□ nicht erfasst
© CADFEM 2016
◙ teilweise erfasst
6
■ erfasst
■
□
■
□
□
□
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)
■
■
□
■
□
□
□
6
®flangevalid
/ ANSYS
1
5
IV
V
I
III
7
2
II
C
4
3
VI
A
B
□ nicht erfasst
© CADFEM 2016
◙ teilweise erfasst
6
■ erfasst
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
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)
■
■
■
■
■
■
■
■
■
■
■
7
Vergleich der Berechnungen
• Bauteile und Bauteilefestigkeit
AD 2000
B7/B8
EN
1591-1
VDI
2230-2
ASME
Sec. VIII
flangevalid
ANSYS
Flansche
■
■
□
■
■
Dichtungen
◙
■
□
■
■
Setzverhalten der Dichtungen / Relaxation
□
■
□
□
■
Schrauben
◙
■
□
■
■
Muttern
□
□
□
□
■
Unterlegscheiben (falls vorhanden)
□
□
□
□
■
Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden)
□
□
□
□
■
Bauteile und Bauteilefestigkeit
□ nicht erfasst
© CADFEM 2016
◙ teilweise erfasst
■ erfasst
8
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
□
□
□
□
■
Unterlegscheibe (falls vorhanden)
□
□
□
□
■
Mutternauflage
□
□
□
□
■
Rohrkräfte
◙
◙
□
◙
■
Torsion und/oder Biegemomente
□
□
□
□
■
Wärmeausdehnung
□
□
□
□
■
Dichtheitsnachweis
□
■
□
□
■
Kräfteverteilung
◙
◙
□
◙
■
□ nicht erfasst
© CADFEM 2016
◙ teilweise erfasst
■ erfasst
9
Vergleich der Berechnungen
• Abmessungen und Anforderungen an das Flanschsystem
Abmessungen und Anforderungen
an das Flanschsystem
AD 2000
B7/B8
EN
1591-1
VDI
2230-2
ASME
Sec. VIII
flangevalid
ANSYS
Flanschblattdicke
■
■
□
■
■
Schraubenabmessung
■
■
□
■
■
Dichtfläche
◙
■
□
■
■
Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur
□
□
□
□
■
Flanschaufweitung aus Druck/Temperatur
□
□
□
□
■
Druckkraft auf das System
◙
■
□
■
■
Flanschbiegung durch Schraubenkraft
◙
◙
□
□
■
Schraubenbiegung durch Flanschblattneigung
□
◙
□
□
■
Hebelarm für Flanschblattneigung
◙
◙
□
■
■
Schraubenvorspannkraft
■
■
□
■
■
□ nicht erfasst
© CADFEM 2016
◙ teilweise erfasst
■ erfasst
10
®flangevalid / ANSYS
• Verformung unter Temperatur und Druck
Quelle: PVP2005-71340
Case study of Temperature Analysis
in a 48“ Diameter Heat Exchanger Flange
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.
© CADFEM 2016
11
Fazit
Flanschverbindungen mit Dichtungen im Krafthaupt- und
Kraftnebenschluss sind für eine analytische Berechnung zu komplex.
Nur über Berechnungen nach der Finite Elemente Methode
können die tatsächlichen Anforderungen an eine Flanschverbindung
sinnvoll berechnet werden.
© CADFEM 2016
12
®flangevalid
: Modellierung
einer
Flanschverbindung
Titelmasterformat
durch
Klicken
bearbeiten
© CADFEM 2016
13
flangevalid-System-Designer 3D
• Normgerechte Flansche, Dichtungen, Schrauben, Muttern, Unterlegscheiben
und Dehnhülsen
• CAD-Export
© CADFEM 2016
14
Titelmasterformat durchmit
Klicken
bearbeiten
Flanschberechnungen
der ANSYS
Workbench
© CADFEM 2016
15
Ablauf der Flanschberechnung
0.
1.
2.
3.
CAD-Import
Materialien
Vernetzung
Simulation 1:
thermisch, stationär
Temperaturverlauf über die
Bauteile
4. Simulation 2:
statisch-mechanisch
aufbauend auf Simulation 1
Verformungen, Spannungen,
Schraubenkräfte,
Dichtungsgüte
© CADFEM 2016
16
Schritt 1: Material – Temperaturabhängige Definition
• E-Modul & Querkontraktionszahl
(temperaturabhängig):
• Streckgrenze & Zugfestigkeit:
• Thermische Leitfähigkeit
(Temperaturabhängigkeit optional):
• Thermischer Ausdehnungskoeffizient:
• Dichte
© CADFEM 2016
17
Schritt 1: Material – Dichtungskennwerte (temperaturabhängig)
• Materialmodell für Dichtungen
Weitere Angaben:
Dichte
Thermische Leitfähigkeit
(Herstellerangaben Moeller Metalldichtungen)
© CADFEM 2016
18
Schritt 2: Vernetzung
© CADFEM 2016
19
Schritt 3: Simulation 1 – Temperaturprofil
• Simulation 1: Temperaturverlauf über Bauteile
© CADFEM 2016
20
Schritt 4: Ablauf der Simulation 2
1. Lastschritt: Temperaturmapping auf die Bauteile
2. Lastschritt: Anziehen der Schrauben
3. Lastschritt: Aufbringen des Innendrucks und externer Kräfte
4. Lastschritt: Aufbringen zusätzlicher externer Kräfte und Momente
© CADFEM 2016
21
Schraubenvorspannkräfte
© CADFEM 2016
22
Innendruck
© CADFEM 2016
23
Externe Kräfte und Momente
© CADFEM 2016
24
Ergebnis: Von Mises Spannung Flanschverbindung
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25
Ergebnis: Flächenpressung der Dichtung
unter Berücksichtigung externer Zusatzlasten
© CADFEM 2016
26
Ergebnis: Verformung der Dichtung in Z-Richtung (Axialrichtung)
unter Berücksichtigung externer Zusatzlasten
© CADFEM 2016
27
Ergebnis: Schraubenkräfte
unterschiedliche Belastungen können zur Bewertung abgelesen werden
© CADFEM 2016
28
Ergebnis: Schraubenkräfte
Schraubenkraft
77200
Schraubenkraft[N]
77100
77000
76900
76800
76700
76600
76500
3
{Innendruck}
4
{Zusätzliche Kräfte
und Momente}
5
Zeitschritt
© CADFEM 2016
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Bolt Assessment inside ANSYS – Schraubenbewertung nach VDI 2230
Vordergrund
Hintergrund
ermittelte Kräfte
Parameter
Sicherheiten
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30
Titelmasterformat
durch möglich
Klicken bearbeiten
Simulation macht vieles
Gemeinsam holen wir das Beste heraus
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