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Berechnung von Flanschen nach der Finite-Elemente-Methode
Referent: Susanne Schmeißer, CADFEM GmbH
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Vergleich der Berechnung zu üblichen Festigkeitsberechnungen
Susanne Schmeißer, CADFEM GmbH (sschmeisser@cadfem.de)Gerd Lannewehr, Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG (mail@gerd-lannewehr.de)
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
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®
• Modellierung einer Flanschverbindung mit flangevalid-System-Designer 3D
• Flanschberechnungen mit der ANSYS Workbench
AD 2000-Merkblatt B7/B8 (+B0) // reiner Festigkeitsnachweis
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1 Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur □2 Flanschaufweitung durch Druck/Temperatur □3 Druckkraft auf System ◙ B8 1)
4 Flanschbiegung durch Schraubenvorspannkraft ■ B85 Schraubenbiegung durch Flanschblattneigung □6 Hebelarm für Flanschblattneigung ◙ B8 2)
7 Schraubenvorspannkraft ■ B7Montage ■ B7Prüfung ■ B7Betrieb ■ B7
A Flanschblattdicke ■ B8B Schraubenabmessung ■ B7C Dichtfläche ◙ B7 3)1) unrealistisch Fläche mittlerer Dichtungsdurchmesser2) unrealistisch immer Dichtungs- zu Schraubenmitte, er müsste am
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4unrealistisch immer Dichtungs- zu Schraubenmitte, er müsste am Dichtungsaußenrand liegen
3) unrealistisch unabhängig von FlanschblattneigungDichtheitsnachweis □Kräfteverteilung gleichmäßig, unrealistisch ■
variabel, realistisch □
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A
Flächenpressung: Dichtung ◙ B7 1)
Bördel, Plattierung oder Auskleidung □Unterlegscheibe (falls vorhanden) □Mutternauflage □1) gemittelt ohne Berücksichtigung des Hebelarmes
Rohrkräfte ◙ B7 1)
Torsion und/oder Biegemomente □Wärmeausdehnung □1) unrealistischer Ansatz, keine Berücksichtigung der angeschlossenen Schale
Bauteile/Bauteilefestigkeit:I Flansche ■ B8II Dichtung ◙ B7 1)
Setzverhalten/Relaxation □III Schrauben ◙ B7 2) 3)
IV Muttern □ B7V U-Scheiben (falls vorhanden) □VI Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) □1) Festgelegte Werte abweichend von Herstellerangaben2) Sicherheitsfaktor? Dehnschrauben = 1,5, Vollschaftschrauben = 1,83) Sonderzuschlag C5 für Betrieb nur für Vollschaftschrauben
B
C
IIIII
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□ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst ■ erfasst
DIN EN 1591-1 // keine Apparateflansche, Probleme mit Metalldichtungen
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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 ■7I
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A
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
Bauteile/Bauteilefestigkeit:I Flansche ■II Dichtung ■
Setzverhalten/Relaxation ■III Schrauben ■IV Muttern □V U-Scheiben (falls vorhanden) □VI Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) □
B
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□ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst ■ erfasst
VDI 2230-2 // berechnet keine Flansche mit Dichtungen im Krafthauptschluss
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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 □7I
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A
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) □
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□ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst ■ erfasst
ASME Section VIII Div.1 App.2 und VIII Div.2 App.4.16 - reiner Festigkeitsnachweis -
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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 ■
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4C Dichtfläche ■Dichtheitsnachweis □Kräfteverteilung gleichmäßig, unrealistisch ■
variabel, realistisch □
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A
B
C
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
Bauteile/Bauteilefestigkeit:I Flansche ■II Dichtung ■
Setzverhalten/Relaxation □III Schrauben ■IV Muttern □V U-Scheiben (falls vorhanden) □VI Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) □
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□ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst ■ erfasst
®flangevalid / ANSYS
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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 ■I
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CC 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) ■
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□ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst ■ erfasst
Vergleich der Berechnungen
• Bauteile und Bauteilefestigkeit
Bauteile und Bauteilefestigkeit AD 2000 B7/B8
EN 1591-1
VDI 2230-2
ASME Sec. VIII
flangevalid ANSYS
Flansche ■ ■ □ ■ ■Dichtungen ◙ ■ □ ■ ■
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Dichtungen ◙ ■ □ ■ ■Setzverhalten der Dichtungen / Relaxation □ ■ □ □ ■Schrauben ◙ ■ □ ■ ■Muttern □ □ □ □ ■Unterlegscheiben (falls vorhanden) □ □ □ □ ■Plattierung oder Auskleidung (falls vorhanden) □ □ □ □ ■
□ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst ■ erfasst
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 □ □ □ □ ■
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Bördel, Plattierung oder Auskleidung □ □ □ □ ■Unterlegscheibe (falls vorhanden) □ □ □ □ ■Mutternauflage □ □ □ □ ■Rohrkräfte ◙ ◙ □ ◙ ■Torsion und/oder Biegemomente □ □ □ □ ■Wärmeausdehnung □ □ □ □ ■Dichtheitsnachweis □ ■ □ □ ■Kräfteverteilung ◙ ◙ □ ◙ ■
□ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst ■ erfasst
Abmessungen und Anforderungen an das Flanschsystem
AD 2000 B7/B8
EN 1591-1
VDI 2230-2
ASME Sec. VIII
flangevalid ANSYS
Flanschblattdicke ■ ■ □ ■ ■Schraubenabmessung ■ ■ □ ■ ■
Vergleich der Berechnungen
• Abmessungen und Anforderungen an das Flanschsystem
© CADFEM 2016
■ ■ □ ■ ■Dichtfläche ◙ ■ □ ■ ■Flanschbiegemoment aus Druck/Temperatur □ □ □ □ ■Flanschaufweitung aus Druck/Temperatur □ □ □ □ ■Druckkraft auf das System ◙ ■ □ ■ ■Flanschbiegung durch Schraubenkraft ◙ ◙ □ □ ■Schraubenbiegung durch Flanschblattneigung □ ◙ □ □ ■Hebelarm für Flanschblattneigung ◙ ◙ □ ■ ■Schraubenvorspannkraft ■ ■ □ ■ ■
10□ nicht erfasst ◙ teilweise erfasst ■ erfasst
• Verformung unter Temperatur und DruckQuelle: PVP2005-71340
Case study of Temperature Analysisin a 48“ Diameter Heat Exchanger Flange
®flangevalid / ANSYS
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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.
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Fazit
Flanschverbindungen mit Dichtungen im Krafthaupt- und Kraftnebenschluss sind für eine analytische Berechnung zu komplex.
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Nur über Berechnungen nach der Finite Elemente Methodekönnen die tatsächlichen Anforderungen an eine Flanschverbindung
sinnvoll berechnet werden.
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®flangevalid : Modellierung einer Flanschverbindung
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flangevalid-System-Designer 3D
• Normgerechte Flansche, Dichtungen, Schrauben, Muttern, Unterlegscheibenund Dehnhülsen
• CAD-Export
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Flanschberechnungen mit der ANSYS
Workbench
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Ablauf der Flanschberechnung
0. CAD-Import1. Materialien 2. Vernetzung3. Simulation 1:
thermisch, stationärTemperaturverlauf über die
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Temperaturverlauf über die Bauteile
4. Simulation 2:statisch-mechanischaufbauend auf Simulation 1Verformungen, Spannungen,Schraubenkräfte,Dichtungsgüte
Schritt 1: Material – Temperaturabhängige Definition
• E-Modul & Querkontraktionszahl(temperaturabhängig):
• Streckgrenze & Zugfestigkeit:
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• Thermische Leitfähigkeit(Temperaturabhängigkeit optional):
• Thermischer Ausdehnungskoeffizient:
• Dichte
Schritt 1: Material – Dichtungskennwerte (temperaturabhängig)
• Materialmodell für Dichtungen
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(Herstellerangaben Moeller Metalldichtungen)
Weitere Angaben:DichteThermische Leitfähigkeit
Schritt 2: Vernetzung
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Schritt 3: Simulation 1 – Temperaturprofil
• Simulation 1: Temperaturverlauf über Bauteile
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Schritt 4: Ablauf der Simulation 2
1. Lastschritt: Temperaturmapping auf die Bauteile
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2. Lastschritt: Anziehen der Schrauben3. Lastschritt: Aufbringen des Innendrucks und externer Kräfte4. Lastschritt: Aufbringen zusätzlicher externer Kräfte und Momente
Schraubenvorspannkräfte
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Innendruck
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Externe Kräfte und Momente
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Ergebnis: Von Mises Spannung Flanschverbindung
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Ergebnis: Flächenpressung der Dichtungunter Berücksichtigung externer Zusatzlasten
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Ergebnis: Verformung der Dichtung in Z-Richtung (Axialrichtung)unter Berücksichtigung externer Zusatzlasten
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Ergebnis: Schraubenkräfte
unterschiedliche Belastungen können zur Bewertung abgelesen werden
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Ergebnis: Schraubenkräfte
77100
77200Schraubenkraft
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76500
76600
76700
76800
76900
77000
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Schr
aube
nkra
ft[N
]
Zeitschritt
{Innendruck} {Zusätzliche Kräfteund Momente}
Bolt Assessment inside ANSYS – Schraubenbewertung nach VDI 2230
ermittelte Kräfte
Parameter
Hinter-grund
Vordergrund
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Sicherheiten
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Simulation macht vieles möglichGemeinsam holen wir das Beste heraus
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