TY - THES

T1 - Erweiterung einer Finite-Elemente-basierten Methode zum normkonformen Festigkeitsnachweis von unbefeuerten Druckbehältern

AU - Beck-Mannagetta, Dorothea

N1 - gesperrt bis 15-03-2023

PY - 2018

Y1 - 2018

N2 - Eine der anzuwendenden Normen der Europäischen Richtlinie für Druckbehälter ist die EN 13445 für unbefeuerte Druckbehälter. Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine automatische Berechnung von lokalen Auslastungsgraden nach dieser Norm im Softwarepakt IBF-Fatigue der Ingenieurbüro Fiedler GmbH auf Basis von linear-elastisch berechneten Finite-Elemente-Spannungsergebnissen zu ermöglichen. Die verschiedenen Beurteilungsmethoden der EN 13445 werden im Stand der Technik untersucht in Bezug auf deren Anwendbarkeit für charakteristische 3D-CAD-Modelle, auf deren Anwendbarkeit auf Grundlage von linear-elastisch berechneten Finite-Elemente-Spannungsergebnissen sowie auf ihren Gültigkeitsbereich für die statische, ermüdungsfeste und zeitstandfeste Festigkeitsbeurteilung. Für jeweils eine ausgewählte Methode wurde ein Rechenablauf mit Hilfe eines Mathematik-Programms erstellt. Schließlich wurden anhand von Testrechnungen für sowohl geschweißte als auch ungeschweißte Bereiche eines exemplarischen Druckbehälters die Ergebnisse nach der EN 13445 mit den Ergebnissen der FKM-Richtlinie „Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile“ für örtliche Spannungen verglichen. Die statischen Testrechnungen zeigen, dass der wesentlichste Unterschied zwischen der Testrechnung der FKM-Richtlinie und der EN 13445-3 die Spannungsklassifizierung ist. Dabei wird die Vergleichsspannung durch die 1,5-fache zulässige Berechnungsspannung dividiert, was zu 2 bis 29% niedrigeren Auslastungsgraden nach der EN 13445 als nach der FKM-Richtlinie führt. Bei den Ermüdungsfestigkeitstestrechnungen werden durch den Material-Sicherheitsfaktor von 1,25 der FKM-Richtlinie geringere zulässige Spannungsschwingbreiten als nach der EN 13445 erreicht. Die Gesamtauslastungsgrade der Ermüdungstestrechnungen sind vor allem auf Grund von den unterschiedlichen zugrunde liegenden Werten der FAT-Klassen abweichend. Bei der Berechnung im Zeitstandbereich ist der wesentlichste Unterschied zwischen der FKM-Richtlinie und der EN 13445 die zulässige Spannung, deren Wert nach der FKM-Richtlinie um 53 bis 92% höher ist als nach der EN 13445. Diese Abweichung wird im Wesentlichen bestimmt durch den zusätzlichen Schweißnahtfaktor der EN 13445 im Zeitstandbereich von 0,8 und durch die unterschiedlichen Werte des Material-Sicherheitsfaktors, der nach der FKM-Richtlinie 1,072 für Schweißnähte und 1,057 für Grundmaterial und nach der EN 13445 sowohl für Schweißnähte als auch für Grundmaterial 1,5 beträgt. Dadurch ergeben sich um 12 bis 22% höhere Auslastungsgrade im Zeitstandbereich nach der EN 13445 als nach der FKM-Richtlinie.

AB - Eine der anzuwendenden Normen der Europäischen Richtlinie für Druckbehälter ist die EN 13445 für unbefeuerte Druckbehälter. Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine automatische Berechnung von lokalen Auslastungsgraden nach dieser Norm im Softwarepakt IBF-Fatigue der Ingenieurbüro Fiedler GmbH auf Basis von linear-elastisch berechneten Finite-Elemente-Spannungsergebnissen zu ermöglichen. Die verschiedenen Beurteilungsmethoden der EN 13445 werden im Stand der Technik untersucht in Bezug auf deren Anwendbarkeit für charakteristische 3D-CAD-Modelle, auf deren Anwendbarkeit auf Grundlage von linear-elastisch berechneten Finite-Elemente-Spannungsergebnissen sowie auf ihren Gültigkeitsbereich für die statische, ermüdungsfeste und zeitstandfeste Festigkeitsbeurteilung. Für jeweils eine ausgewählte Methode wurde ein Rechenablauf mit Hilfe eines Mathematik-Programms erstellt. Schließlich wurden anhand von Testrechnungen für sowohl geschweißte als auch ungeschweißte Bereiche eines exemplarischen Druckbehälters die Ergebnisse nach der EN 13445 mit den Ergebnissen der FKM-Richtlinie „Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile“ für örtliche Spannungen verglichen. Die statischen Testrechnungen zeigen, dass der wesentlichste Unterschied zwischen der Testrechnung der FKM-Richtlinie und der EN 13445-3 die Spannungsklassifizierung ist. Dabei wird die Vergleichsspannung durch die 1,5-fache zulässige Berechnungsspannung dividiert, was zu 2 bis 29% niedrigeren Auslastungsgraden nach der EN 13445 als nach der FKM-Richtlinie führt. Bei den Ermüdungsfestigkeitstestrechnungen werden durch den Material-Sicherheitsfaktor von 1,25 der FKM-Richtlinie geringere zulässige Spannungsschwingbreiten als nach der EN 13445 erreicht. Die Gesamtauslastungsgrade der Ermüdungstestrechnungen sind vor allem auf Grund von den unterschiedlichen zugrunde liegenden Werten der FAT-Klassen abweichend. Bei der Berechnung im Zeitstandbereich ist der wesentlichste Unterschied zwischen der FKM-Richtlinie und der EN 13445 die zulässige Spannung, deren Wert nach der FKM-Richtlinie um 53 bis 92% höher ist als nach der EN 13445. Diese Abweichung wird im Wesentlichen bestimmt durch den zusätzlichen Schweißnahtfaktor der EN 13445 im Zeitstandbereich von 0,8 und durch die unterschiedlichen Werte des Material-Sicherheitsfaktors, der nach der FKM-Richtlinie 1,072 für Schweißnähte und 1,057 für Grundmaterial und nach der EN 13445 sowohl für Schweißnähte als auch für Grundmaterial 1,5 beträgt. Dadurch ergeben sich um 12 bis 22% höhere Auslastungsgrade im Zeitstandbereich nach der EN 13445 als nach der FKM-Richtlinie.

KW - EN 13445

KW - finite-element

KW - strength

KW - assessment

KW - pressure

KW - vessel

KW - unfired

KW - IBF-Fatigue

KW - fatigue life

KW - creep strength

KW - creep range

KW - EN 13445

KW - Festigkeitsnachweis

KW - Druckbehälter

KW - Finite

KW - Elemente

KW - Berechnung

KW - Auslastungsgrad

KW - IBF-Fatigue

KW - Ermüdungsfestigkeit

KW - Zeitstandfestigkeit

KW - Zeitstandbereich

M3 - Masterarbeit

ER -