Programm FEM

Problemstellung

Einige Probleme des Apparatebaus lassen sich gar nicht oder nur unzureichend mit den Standardansätzen aus Regelwerken lösen. Für diese Problemfälle hilft dann oft nur eine Berechnung nach der Finiten Elemente Methode weiter. Diese ist jedoch in der Regel aufwendig und erfordert bei der Interpretation der Ergebnisse einige Erfahrung.

Für standardisierbare Probleme wie z.B. Stutzen mit äußeren Lasten auf zylindrischen Grundkörpern oder auf gewölbten Böden bietet LV eine integrierte FE Berechnung an. Diese enthält verbesserte Netz- und Grafikoptionen sowie die Möglichkeit, Verstärkungsscheiben, schräge Stutzen, schräge und tangentiale Stutzen mit Verstärkungsscheiben zu berechnen.

Berechnung von Stutzen mit Stutzenlasten mit FE-Methode

Die Ansätze der WRC Bulletins 107 basieren auf Messungen, die an diversen Grundkörper- und Stutzengeometrien vorgenommen wurden. Es ist ersichtlich, dass nicht alle möglichen Konstellationen gemessen werden konnten. Daher sind diese Ansätze nur eingeschränkt anwendbar

Für diese Fälle hat LV in das Modul WRC / WRCK eine Berechnungsoption nach der Finite Elemente Methode integriert. Daraus entstand das eigenständige Berechnungsmodul „FEM“.

Einsatz-Möglichkeiten auf einen Blick

Geometrische Optionen

· Senkrechte und geneigte Stutzen auf Zylinderschalen

· Senkrechte und geneigte Stutzen auf Kugelschalen

· Senkrechte Stutzen auf Klöpper- und Korbbogenböden

· Geneigte Stutzen auf Klöpper- und Korbbogenböden

· Außermittige / Tangentiale Stutzen auf Zylindern, Kugeln und gewölbten Böden

· Berücksichtigung von Verstärkungsscheiben

Mögliche Belastungen

· Kräfte- und Momente am Stutzen

· Innendruck

· Thermische Belastung

· Ermüdung

Berechnung und ausführliche Dokumentation

· Berechnung mit FEM (Sparce Solver) mit über 120000 Freiheitsgraden

· Berechnung mit endlich dicken Schalenelementen

· Freie Wahl der Knoten bzw. Elementzahl

· Spannungsauswertung nach AD S4

· Ermüdungsberechnung nach AD S2

· Dokumentation nach AD S4

· Spannungsauswertung nach ASME VIII/1 App. 4

Weitere Optionen

· Ausgabe der Geometrie als DXF Datei

· Schnittstellen zu weiteren FEM Programmen

· Visualisierung der Ergebnisse bzw. Geometrie in 3D Darstellung als DirectX (abhängig vom Betriebssystem), GDI oder HPGL

· Darstellung der Spannungen / Verschiebungen im unverformten und im verformten System

· Neu: Externe Berechnung mit ANSYS


Bild 1 Außermittiger Stutzen auf Zylinder	Bild 2 Senkrechter Stutzen auf Zylinderschale mit Verstärkungsscheibe


Bild 3 Schräger Stutzen auf Zylinder	Bild 4 Senkrechter Stutzen auf Zylinderschale, seitlich versetzt

Bild 5 Vergleichsspannungen im Abklingbereich	Bild 6 Verschiebungen in Richtung Y im Abklingbereich

Bild 7 Tangentialer Stutzen	Bild 8 Spannungen im tangentialen Stutzen

Bild 9 Darstellung des verschobenen Systems „Tangentialer Stutzen“

Einstellungen

Steuerungs-Optionen

Modellerstellung:

· Automatisch: Sobald das Programm genügend Eingabeinformationen hat, wird automatisch ein FE Modell erstellt. Das Programm fragt vorher nach, ob die Erstellung durchgeführt werden soll.

· Manuell: Der Benutzer muss die FE Modellerstellung manuell über die Schaltfläche Erzeugen auslösen.

Berechnung:

· Automatisch: Sobald das Programm genügend Eingabeinformationen hat, wird automatisch die FE Berechnung durchgeführt. Das Programm fragt vorher nach, ob die Berechnung durchgeführt werden soll.

· Manuell: Der Benutzer muss die FE Berechnung manuell über die Schaltfläche Berechnen auslösen.

Elementauswertung nach ASME VIII-2

Aktivieren Sie diese Option um vergleichbare Ergebnisse wie andere kommerzielle FE Programme zu erzielen, da diese die Berechnung auf der Basis von ASME durchführen.

Dokumentations-Optionen

Sprache

· Deutsch: Die FE Dokumentation erfolgt in deutscher Sprache.

· Englisch: Die FE Dokumentation erfolgt in englischer Sprache.

Die FE Dokumentation kann über ‚Datei sichern‘ im FE Dokumentationsfenster als RTF Datei gespeichert werden. Diese RTF Datei wird in die Projektdokumentation eingegliedert und kann als Ganzes ausgedruckt werden.

Spannungsbewertung nach

· AD: Spannungsauswertung nach AD 2000 Merkblatt S4

· ASME: Spannungsauswertung nach ASME VIII-2

· Kurz: Übersichtliche Darstellung der Spannungen und ihre Bewertung

· Ausführlich: Enthält zusätzlich die Dokumentation der Zerlegung der Spannungen in ihre Komponenten, sowie Hinweise zur Spannungskategorisierung.

FEM Parameter

Die Feinheit des Netzes ist durch die FEM Parameter zu steuern.

Der Abstand der Berechnungskreise ist dabei die Breite der Elemente. Die Breite soll max. 2 * Wanddicke und mind. 0,7 * Wanddicke betragen.

Die Anzahl der Knoten muss durch 8 teilbar sein und mindesten 36 und max. 96 betragen.

Schweißnahtgröße: Die Variable Schweißnahtgröße definiert den Störbereich zwischen Stutzen und Mantel. In der Regel ist dies die Größe der Schweißnaht in Mantelrichtung. Dieser Einflussbereich kann mit ‚Schweißnahtelemente ignorieren‘ aus der Spannungsbewertung ausgeklammert werden.

Der Anwender kann damit selbst entscheiden, ob diese Spannungen berücksichtigt werden sollen oder nicht.

FEM Berechnungseinstellungen

Lastangriff:

S – Stutzenende:	Alle Kräfte und Momente greifen am Ende des Stutzens an.
E – Schnittebene:	Kräfte und Momente greifen in der Schnittebene zwischen Stutzen und Mantel an. Diese Ebene ist meist nicht eindeutig zu definieren. Verwenden Sie in diesem Fall besser einen Stutzen mit einer Länge von 100mm und lassen Sie die Lasten am Stutzenende angreifen (Verfahren nach NozzleSpecApp).
A – Achsenschnittpunkt:	Die Lasten greifen im Schnittpunkt der Mantel- und Stutzenachsen an. Gilt nur für Rohrleitungssysteme.
R – Schnittebene starr:	Die Schnittebene wird durch starre (rigid) Elemente gebildet. Damit können Anbauteile wie Nocken oder Zapfen abgebildet werden.