Druckbehälterkonstruktion mit SOLIDWORKS Simulation Professional
SOLIDWORKS Simulation Professional bietet die Möglichkeit, Druckbehälterkonstruktion in Übereinstimmung mit verschiedenen Normen und Anforderungen zu betrachten. In diesem Beitrag wird beispielsweise die Druckbehälterkonstruktion in Übereinstimmung mit dem ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII, Division 2 gezeigt.
Druckbehälter-Analyse in zwei Schritten
In einer Druckbehälter-Analyse mit SOLIDWORKS Simulation Professional können verschiedene Lastbedingungen wie Kräfte, erhöhte Temperatur, Momente an freien Stutzen, die Spannungen aufgrund der Lagerbedingungen sowie Wind- und Erdbebenlasten verwendet werden. Die Berechnungsverfahren für die Druckbehälter-Analyse sind in zwei Schritte unterteilt. In dem ersten Schritt wird für jede Lastbedingung eine statische Studie durchgeführt. Im zweiten Schritt werden in der Druckbehälter-Studie diese Lastbedingungen kombiniert und die Ergebnisse ausgewertet.
Als Beispiel dient ein Druckbehälter, der aus niedriglegiertem Baustahl SA 515, Klasse 60, gefertigt wird und eine Konstruktionsspannungsintensität von Sm = 15,300 psi zulässt. Hier werden alle Komponenten mit einer Temperatur von 700°F belastet und die Wand sowie die Stutzen des Druckbehälters werden einem Innendruck von 165 psi ausgesetzt. Aufgrund der Verbindung mit dem Leitungssystem werden äußere Biegemoment und Kräfte auf den Behälter ausgeübt.
Das Netz wird mit einer gemischten Vernetzung erstellt, wobei Volumenkörper-, Schalen- und Balken-Elemente Verwendung finden.
Abb. 1: Druckbehälter
Abb. 2: Gemischte Vernetzung
Nachdem die statischen Studien definiert und ausgeführt wurden, sorgt die Druckbehälter-Studie für die Kombination der Ergebnisse.
Abb. 3: Lastkombination
Die Ergebnisse der einzelnen statischen Studien zeigen, dass die Spannungsintensität innerhalb der Fließgrenze (Sm) liegt. Wenn aber die Lasten kombiniert und berechnet werden, liegt der Höchstwert außerhalb der Fließgrenze.
Die Werte in den Schalenbereichen außer in der Nähe der Stutzenöffnungen und der Haltevorrichtungen liegen unterhalb von 15,3 psi. Die Schalenkonstruktion erfüllt somit das Kriterium der allgemein Haupt-Membranspannungsintensität.
Abb. 4: Spannungsintensität
Der ASME Boiler and Pressure Vessel Code gibt für die Mannlochstutzenflansch keine Grenzwerte der Spannungsintensität vor. Für diese Komponenten sind stattdessen Grenzwerte der Spannungsintensität für die axialen, radialen und tangentialen Spannung in Höhe von 1,5*Sm, Sm und Sm festgelegt.
Abb. 5: tangentiale Spannungen (SX)
Abb. 6: radiale Spannungen (SY)
Abb. 7: axiale Spannungen (SZ)
Während Schalenelemente direkt die Membran- und Biegekomponenten der Spannungsintensitäten liefern, liegen die Ergebnisse der Volumenkörperelemente im allgemein 3D-Format vor und erfordern eine zusätzliche Bearbeitung (Spannungslinearisierung). Durch die Auswahl von zwei Punkten auf dem Flanschquerschnitt zur Definition der Trajektorie, können die linearisierten Spannungsergebnisse entlang dieser Trajektorie dargestellt werden.
Abb. 8: Querschnitt
Abb. 9: Spannungslinearisierung
Zusammenfassung
SOLIDWORKS Simulation Professional bietet die Möglichkeit, Druckbehälterkonstruktionen in Übereinstimmung mit verschiedenen Normen und Anforderungen zu betrachten. Die verschiedenen Lasten für eine Druckbehälter-Studie können mit dem Feature „Lastkombination“ gleichzeitig angewandt werden.
Die Druckbehälter-Analyse ermöglicht die Ausgabe von Ergebnisgrößen wie:
Allgemeine Haupt-Membranspannungsintensität, Lokale Membranspannungsintensität, die axialen, radialen und tangentialen Spannungen.
Außerdem können für Volumenkörper linearisierte Spannungsergebnisse dargestellt werden.
