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- Uwe Beckenbauer
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1 Titelmasterformat durch Klicken bearbeiten Berechnung von Flanschen nach der Finite-Elemente-Methode Vergleich Referent: der Susanne Berechnung Schmeißer, zu üblichen CADFEM Festigkeitsberechnungen GmbH Susanne Schmeißer, CADFEM GmbH GerdLannewehr, Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG ([email protected]) CADFEM
2 Themenübersicht Betrachtung der diversen Flanschberechnungen AD 2000-Merkblatt B7/B8 DIN EN VDI 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
3 AD 2000-Merkblatt B7/B8 (+B0) // reiner Festigkeitsnachweis V A IV III I II 2 VI 1 3 C Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur 2 Flanschaufweitung durch Druck/Temperatur 3 Druckkraft auf System B8 1) 4 Flanschbiegung durch Schraubenvorspannkraft B8 5 Schraubenbiegung durch Flanschblattneigung 6 Hebelarm für Flanschblattneigung B8 2) 7 Schraubenvorspannkraft B7 Montage B7 Prüfung B7 Betrieb B7 A Flanschblattdicke B8 B Schraubenabmessung B7 C Dichtfläche B7 3) 1) unrealistisch Fläche mittlerer Dichtungsdurchmesser 2) unrealistisch immer Dichtungs- zu Schraubenmitte, er müsste am Dichtungsaußenrand liegen 3) unrealistisch unabhängig von Flanschblattneigung Dichtheitsnachweis Kräfteverteilung gleichmäßig, unrealistisch variabel, realistisch Flächenpressung: Dichtung B7 1) Bördel, Plattierung oder Auskleidung Unterlegscheibe (falls vorhanden) Mutternauflage 1) gemittelt ohne Berücksichtigung des Hebelarmes B nicht erfasst teilweise erfasst erfasst 6 Rohrkräfte B7 1) Torsion und/oder Biegemomente Wärmeausdehnung 1) unrealistischer Ansatz, keine Berücksichtigung der angeschlossenen Schale Bauteile/Bauteilefestigkeit: I Flansche B8 II Dichtung B7 1) Setzverhalten/Relaxation III Schrauben B7 IV Muttern B7 V U-Scheiben (falls vorhanden) VI Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) 1) Festgelegte Werte abweichend von Herstellerangaben 2 ) Sicherheitsfaktor? Dehnschrauben = 1,5, Vollschaftschrauben = 1,8 3) Sonderzuschlag C5 für Betrieb nur für Vollschaftschrauben CADFEM ) 3)
4 DIN EN // keine Apparateflansche, Probleme mit Metalldichtungen V A IV I III II 2 VI 1 3 C Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur 2 Flanschaufweitungdurch 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 1) Torsion und/oder Biegemomente Wärmeausdehnung 1) unrealistischer Ansatz, keine Berücksichtigung der angeschlossenen Schale B nicht erfasst teilweise erfasst erfasst 6 Bauteile/Bauteilefestigkeit: I Flansche II Dichtung Setzverhalten/Relaxation III Schrauben IV Muttern V U-Scheiben (falls vorhanden) VI Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) CADFEM
5 VDI // berechnet keine Flansche mit Dichtungen im Krafthauptschluss V A IV I III II 2 VI 1 3 C Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur 2 Flanschaufweitungdurch 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 B nicht erfasst teilweise erfasst erfasst 6 Bauteile/Bauteilefestigkeit: I Flansche II Dichtung Setzverhalten/Relaxation III Schrauben IV Muttern V U-Scheiben (falls vorhanden) VI Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) CADFEM
6 ASME Section VIII Div.1 App.2 und VIII Div.2 App reiner Festigkeitsnachweis - V A IV I III II 2 VI 1 3 C Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur 2 Flanschaufweitungdurch 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 1) Torsion und/oder Biegemomente Wärmeausdehnung 1) unrealistischer Ansatz, keine Berücksichtigung der angeschlossenen Schale B nicht erfasst teilweise erfasst erfasst 6 Bauteile/Bauteilefestigkeit: I Flansche II Dichtung Setzverhalten/Relaxation III Schrauben IV Muttern V U-Scheiben (falls vorhanden) VI Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) CADFEM
7 flangevalid / ANSYS V A IV I III II 2 VI 1 3 C Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur 2 Flanschaufweitungdurch 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 B nicht erfasst teilweise erfasst erfasst 6 Bauteile/Bauteilefestigkeit: I Flansche II Dichtung Setzverhalten/Relaxation III Schrauben IV Muttern V U-Scheiben (falls vorhanden) VI Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) CADFEM
8 Vergleich der Berechnungen Bauteile und Bauteilefestigkeit Bauteile und Bauteilefestigkeit AD 2000 B7/B8 EN VDI ASME Sec. VIII flangevalid ANSYS Flansche Dichtungen Setzverhalten der Dichtungen / Relaxation Schrauben Muttern Unterlegscheiben (falls vorhanden) Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) nicht erfasst teilweise erfasst erfasst CADFEM
9 Vergleich der Berechnungen Flächenpressungen, Zusatzkräfte und Wärmeausdehnung Flächenpressungen, Zusatzkräfte und Wärmeausdehnung AD 2000 B7/B8 EN VDI ASME Sec. VIII flangevalid ANSYS Dichtung Bördel, Plattierung oder Auskleidung Unterlegscheibe (falls vorhanden) Mutternauflage Rohrkräfte Torsion und/oder Biegemomente Wärmeausdehnung Dichtheitsnachweis Kräfteverteilung nicht erfasst teilweise erfasst erfasst CADFEM
10 Vergleich der Berechnungen Abmessungen und Anforderungen an das Flanschsystem Abmessungen und Anforderungen an das Flanschsystem AD 2000 B7/B8 EN VDI ASME Sec. VIII flangevalid ANSYS Flanschblattdicke Schraubenabmessung Dichtfläche Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur Flanschaufweitungaus Druck/Temperatur Druckkraft auf das System Flanschbiegung durch Schraubenkraft Schraubenbiegung durch Flanschblattneigung Hebelarm für Flanschblattneigung Schraubenvorspannkraft nicht erfasst teilweise erfasst erfasst CADFEM
11 flangevalid / ANSYS Verformung unter Temperatur und Druck Quelle: PVP 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
12 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
13 flangevalid Titelmasterformat : Modellierung durch einer Klicken Flanschverbindung bearbeiten CADFEM
14 flangevalid-system-designer 3D Normgerechte Flansche, Dichtungen, Schrauben, Muttern, Unterlegscheiben und Dehnhülsen CAD-Export CADFEM
15 Flanschberechnungen Titelmasterformat durch mit Klicken der ANSYS bearbeiten Workbench CADFEM
16 Ablauf der Flanschberechnung 0. CAD-Import 1. Materialien 2. Vernetzung 3. Simulation 1: thermisch, stationär Temperaturverlauf über die Bauteile 4. Simulation 2: statisch-mechanisch aufbauend auf Simulation 1 Verformungen, Spannungen, Schraubenkräfte, Dichtungsgüte CADFEM
17 Schritt 1: Material Temperaturabhängige Definition E-Modul & Querkontraktionszahl (temperaturabhängig): Streckgrenze & Zugfestigkeit: Thermische Leitfähigkeit (Temperaturabhängigkeit optional): Thermischer Ausdehnungskoeffizient: Dichte CADFEM
18 Schritt 1: Material Dichtungskennwerte (temperaturabhängig) Materialmodell für Dichtungen Weitere Angaben: Dichte Thermische Leitfähigkeit (Herstellerangaben Moeller Metalldichtungen) CADFEM
19 Schritt 2: Vernetzung CADFEM
20 Schritt 3: Simulation 1 Temperaturprofil Simulation 1: Temperaturverlauf über Bauteile CADFEM
21 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
22 Schraubenvorspannkräfte CADFEM
23 Innendruck CADFEM
24 Externe Kräfte und Momente CADFEM
25 Ergebnis: Von Mises Spannung Flanschverbindung CADFEM
26 Ergebnis: Flächenpressung der Dichtung unter Berücksichtigung externer Zusatzlasten CADFEM
27 Ergebnis: Verformung der Dichtung in Z-Richtung (Axialrichtung) unter Berücksichtigung externer Zusatzlasten CADFEM
28 Ergebnis: Schraubenkräfte unterschiedliche Belastungen können zur Bewertung abgelesen werden CADFEM
![Schraubenkraft[N] 77000 76900](/docs-images/68/59393148/images/29-3.jpg "76800 76700 76600 76500 3")
29 Ergebnis: Schraubenkräfte Schraubenkraft Schraubenkraft[N] {Innendruck} 4 {Zusätzliche Kräfte 5 und Momente} Zeitschritt CADFEM
30 BoltAssessment insideansys Schraubenbewertung nach VDI 2230 Vordergrund Hintergrund ermittelte Kräfte Parameter Sicherheiten CADFEM
31 Titelmasterformat Simulation macht vieles durch möglich Klicken bearbeiten Gemeinsam holen wir das Beste heraus CADFEM
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