Flanschberechnungen mit der ANSYS Workbench
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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 © CADFEM 2016 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 29 Bolt Assessment inside ANSYS – Schraubenbewertung nach VDI 2230 Vordergrund Hintergrund ermittelte Kräfte Parameter Sicherheiten © CADFEM 2016 30 Titelmasterformat durch möglich Klicken bearbeiten Simulation macht vieles Gemeinsam holen wir das Beste heraus © CADFEM 2016 31