SZERKEZET-INTEGRITÁSI OSZTÁLY

SZERKEZET-INTEGRITÁSI OSZTÁLYSZERKEZET-INTEGRITÁSI OSZTÁLY

BAY ZOLTÁN ALKALMAZOTT KUTATÁSI KÖZALAPÍTVÁNYBAY ZOLTÁN ALKALMAZOTT KUTATÁSI KÖZALAPÍTVÁNYLOGISZTIKAI ÉS GYÁRTÁSTECHNIKAI INTÉZETLOGISZTIKAI ÉS GYÁRTÁSTECHNIKAI INTÉZET

Miskolc-TapolcaMiskolc-Tapolca20082008

SZABVÁNYOS ELJÁRÁSOK ÉS A VÉGES-ELEMES SZABVÁNYOS ELJÁRÁSOK ÉS A VÉGES-ELEMES MÓDSZER MÓDSZER

I. SZOFTVERCENTRUM - SZIMULÁCIÓS I. SZOFTVERCENTRUM - SZIMULÁCIÓS WORKSHOPWORKSHOP

2Szoftvercentrum - Szimulációs Workshop, 2008Szoftvercentrum - Szimulációs Workshop, 2008

Bevezető

• A véges-elemes számítások eredményei általában nem vethetők össze a szabványban leírt követelményekkel.

• Ezeket az eredményeket tudni kell átfordítani szabvány nyelvére, hogy nyilatkozhassunk a megfelelőségről.

• Bizonyos esetekben vizsgálni kell a különböző szabványok alkalmazhatóságát, és az adott feladatnak legmegfelelőbbet kell választani.


Szerkezetek, berendezések biztonságos üzemeltethetőségi feltételeinek vizsgálata,

hibák veszélyességének értékelése

Nemzetközi szabvány alapján megfelelőség igazolása különböző berendezésekre és szerkezeti elemeire.




• 3D-s geometriai modell beolvasása (parasolid file) MSC.PATRANMSC.PATRAN szoftver-rendszerbe.

• Modell hálózása Tetra10 elemekkel.

• Anyagtulajdonságok és peremfeltételek definiálása a különböző üzemállapotoknak

megfelelően.




• Szilárdsági és élettartam számítások minden üzemállapotra MSC.MARCMSC.MARC szoftverrel segítségével.

• Megfelelőség igazolása meghatározott időtartamra.




Helyi elsődleges membránfeszültség intenzitásHelyi elsődleges membránfeszültség intenzitás

1. Feszültségkomponensek átlagolása a teljes keresztmetszetre a következő integrál kiszámításával:

Ahol s a falvastagság az adott helyen, x pedig egy, a falra merőleges koordináta.

2. Az így kapott átlagos feszültségkomponensekből kapott egyenértékű feszültség értéke a helyi elsődleges membránfeszültség.

s

0

imi dxx

s

1

A szabványnak megfelelő feszültség komponensek meghatározása

a véges-elemes szimuláció eredményéből.




Helyi elsődleges membrán + hajlítófeszültség intenzitásHelyi elsődleges membrán + hajlítófeszültség intenzitás

1. Feszültségkomponensek membrán tagjának meghatározása, a teljes keresztmetszetre, a következő integrál kiszámításával:

2. Feszültségkomponensek hajlító tagjának meghatározása, a teljes keresztmetszetre, a következő integrál kiszámításával:

3. Az így kapott membrán- és hajlítófeszültségek komponensenként vett összegének képzése.

4. A komponensekből kapott egyenértékű feszültség értéke a helyi elsődleges membrán+hajlítófeszültség.

s

imi dxx

s 0

1

s

ihi dxxx

s 02

6


Szabványok alkalmazhatóságának vizsgálata


Kritikus hibaméret meghatározása tranziens hegesztési varratokra

• Reaktortartályok üzem közbeni vizsgálata során alapvető dolog törésmechanikai számítások végzése.

• Megbízható és igazolt módszerek szükségesek a reaktortartály és hegesztési varratainak analíziséhez.

• A varratok roncsolásmentes vizsgálatához egy minimum hibaméret meghatározása szükséges.

• A szabványok törésmechanikai eljárásai egyszerű geometriákhoz vannak kifejlesztve, mint csövek vagy héjak.


Kritikus hibaméret meghatározása tranziens hegesztési varratokra

• Több tranziens varrat található egy kritikus helyen. • Nincs érvényes megoldás kidolgozva tranziens

varratok esetére• A kritikus helyek általában 3D-s geometriával és

terhelési esettel rendelkeznek.• Egy igazolt módszer kidolgozása szükséges a

tranziens varratokra.


CélkitűzésAz ASME BPVC KI –re vonatkozó analitikus összefüggéseinek alkalmazhatósági elemzéseKomplex geometriákTranziens varratokMechanikai és tranziens

hőterhelés esetén


Célkitűzés• Az ASME BPVC XI H4221, A3300 és R6 valamint

VEM alapján számított KI értékek összehasonlítása cső-szerű geometria húzó és hajlító igénybevétele esetén.

• KI és JI értékek számítása valós 3D-s geometria tranziens varratai esetén mechanikai és tranziens hőterhelés figyelembevételével, véges-elemes módszer segítségével

• Az ASME BPVC A3300 eljárás alkalmazhatósága adott 3D-s geometria esetén


Az ASME BPVC XI H4221 és A3300, R6 valamint VEM összehasonlítása

• Terhelés– húzás (100 MPa)

– hajlítás (100 MPa)

• Méretek– Tranziens varrat átmérője:

548 mm

– R/t: 0.136

• Repedés méret– a/w: 0.25; 0.5; 0.75 : 11.25°; 22.5°; 45°



• KI meghatározása az ASME XI H4221 alapján

– Csövekre húzás és hajlítás esetén– Kerületi hiba– Egyszerű egyenlet– Széles körű alkalmazhatóság



• KI meghatározása az ASME XI A3300 alapján

– Héjak, fal mentén megoszló terheléssel– Polinomos feszültség leírás– Paraméterek az ASME táblázatokból– Széles körű alkalmazhatóság



• KI meghatározása R6 alapján

– Csövek, fal mentén megoszló terheléssel és globális hajlítással

– Polinomos feszültség leírás– Paraméterek táblázatokból, de az értékek csak R/t=5-

10 között lehetnek


• KI meghatározása VEM-mel

– Valós 3D-s repedés geometria – Lineárisan rugalmas anyagmodell– J integrál számítás/poszt–processzálás a felületen

és a repedés legmélyebb pontjában.

– KI számítása J-integrálból:

2I 1

EJK



a=55,875=45°

a=37,25 =22,5°

a=18,625 =11,25°


•MSC.MARC 2005r2

•3D-s 20 csomópontú hexagonális elemek

• KI meghatározása VEM-mel



• KI és J-integrál értékek 100 MPa maximális húzófeszültség esetén

ASME XI H4221.1 ASME XI A3300 FEM R6

[°] a/t

KI [MPa√m]

JI [MPa√m]

KI [MPa√m]

J [kN/m]

KI [MPa√m]

J [kN/m]

KI [MPa√m]

J [kN/m]

45 0,25 31,36 4,47 34,58 5,44 31,01 4,27 30,51 4,24

22,5 0,25 29,94 4,08 32,92 4,93 30,02 4,10 29,93 4,08

11,25 0,25 29,01 3,83 29,42 3,94 28,40 3,67 27,90 3,54

45 0,50 56,76 14,66 77,57 27,38 57,55 15,07 54,18 13,36

22,5 0,50 51,06 11,86 58,19 15,41 51,86 12,24 47,99 10,48

11,25 0,50 47,07 10,08 42,03 8,04 42,49 8,22 39,70 7,17

45 0,75 88,79 35,87 197,43 177,36 92,52 38,95 79,83 29,00

22,5 0,75 76,49 26,62 66,60 20,18 71,86 23,49 62,11 17,55

11,25 0,75 67,37 20,65 46,29 9,75 50,50 11,61 45,72 9,51


a/t=0,5 =22,5°

Az ASME BPVC alkalmazhatósága adott 3D-s geometria esetén

Tension

0102030405060708090

0 10 20 30 40 50

KI

ASME XI H app.

ASME XI A app.

FEMR6

Tension

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 10 20 30 40 50 60

a

KI

ASME XI H app.

ASME XI A app.

FEM

R6



• KI és J-integrál értékek 100 MPa maximális hajlító feszültség esetén

ASME XI H4221.1 ASME XI A3300 FEM R6

[°] a/t

KI [MPa√m]

JI [MPa√m]

KI [MPa√m]

J [kN/m]

KI [MPa√m]

J [kN/m]

KI [MPa√m]

J [kN/m]

45 0,25 29,50 3,96 31,02 4,38 27,70 3,49 27,38 3,41

22,5 0,25 28,08 3,59 29,53 3,96 27,02 3,32 26,89 3,29

11,25 0,25 27,02 3,32 26,39 3,17 25,40 2,93 25,11 2,87

45 0,50 53,16 12,86 70,50 22,62 50,21 11,47 48,79 10,83

22,5 0,50 47,93 10,45 52,97 12,76 46,70 9,92 43,66 8,67

11,25 0,50 43,89 8,76 38,38 6,70 39,47 7,09 36,35 6,01

45 0,75 82,46 30,94 181,05 149,14 76,48 26,61 72,16 23,69

22,5 0,75 71,65 23,36 61,71 17,32 61,75 17,35 57,36 14,97

11,25 0,75 62,96 18,03 43,18 8,48 46,55 9,86 42,70 8,30


a/t=0,5 mm =22,5°


Bending

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 10 20 30 40 50

KI

ASME XI H app.ASME XI A app.FEMR6

Bending

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 10 20 30 40 50 60a

KI

ASME XI H app.

ASME XI A app.

FEM

R6



Mi az oka az ASME XI App A3300 konzervativizmusának? – Maga az ASME konzervatív?

– Minden esetben alkalmazható ez a melléklet?

– A paraméterek az érvényességi határon kívűl esnek?

– Egyéb okok?



ASME XI App A3300

Széles alkalmazási körrel rendelkezik, - azonban a paraméterek durva felosztással vannak megadva egy nemlineáris függvény kapcsolathoz a/t

a/2c



Lineáris közelítés szükséges egy valós repedés méret esetén

A polinommal való közelítés a valóságot jobban közelítő paraméter értékeket adhat

A különbség igen jelentős lehet a lineáris és a polinommal való közelítés között

G0 aproximation at a/t=0,5

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

2,2

2,4

2,6

2,8

3

0 0,2 0,4

a/c

G0

lin. int.

5th order int.

Quadratic int (a/c=0-0,4)

Quadratic int (a/c=0,2-0,6)

Cubic int. (a/c=0-0,6)

ASME G0 parameters

Cubic int. (a/c=0,2-0,8)

=45°

=22,5°

=11,25°

Táblázati értékek



Relatív különbség a polinomos, a lineáris és számított KI értékek között

0,88

0,9

0,92

0,94

0,96

0,98

1

0 0,2 0,4

a/c

G0p

ol/G

0lin

5th order int.Quadratic int (a/c=0-0,4)Quadratic int (a/c=0,2-0,6)Cubic int. (a/c=0-0,6)Cubic int. (a/c=0,2-0,8)Cubic int. (a/c=0,4-1)Quadratic int (a/c=0,4-0,8)

a/t=0,5

Tension

0102030405060708090

0 10 20 30 40 50

KI

ASME XI H app.

ASME XI A app.

FEMR6

11,25°

22,5°

45°



KövetkeztetésekKövetkeztetések

– Az ASME H melléklete jó egyezést mutat a véges-elemes számításokkal keskeny repedés esetén, azonban mély repedéseknél konzervatívvá válik

– Az ASME A melléklete jó összhangban van a véges-elemes számítással keskeny repedés esetén. Azonban minél hosszabb a repedés, annál konzervatívabb lesz a lineáris közelítés miatt.

– Az R6 eljárás adja a legközelebbi eredményt a véges-elemes számításhoz, azonban az értékek alacsonyabbak, mint a numerikusan számolt – nem konzervatív!


KI és JI értékek számítása valós 3D-s

geometriák tranziens varratai esetén Tranziens varrat anyagok és geometria


Gőzfejlesztő tranziens varratainak modellezése BAY-LOGI

Csatlakozó cső

Merev gyűrű GF tartály

Varrat

Párnaréteg


KI és JI értékek számítása a GF tranziens varratai esetén

Terhelések:– Csatlakozó

csővezetékről átadódó

– Belső nyomás– Tranziens hőterhelés


KI és JI értékek számítása valós 3D-s geometriák tranziens varratai esetén

•Terhelés a csatlakozó csővezetékekből– Húzás és hajlítás a csatlakozó csövek határterheléséből



• Belső nyomásból származó húzás– 10 MPa nyomás a primer körben



• Belső nyomás– 10 MPa nyomás a szekunder körben



• Hőterhelés– 30°C/h hűtés a szekunder körben– Főgőzvezeték törés– 100°C termikus sokk a szekunder körben



• Hőterhelés– 20 °C/h fűtés a primer körben,– 100°C termikus sokk a primer körben


x


Feszültség eloszlás a fal mentén

Húzás

Hajlítás


a/t=0,5 =22,5°


Tension

0

50

100

150

200

250

0 10 20 30 40 50

KI

ASME XI H app.

ASME XI A app.

FEMR6

Tension

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 10 20 30 40 50 60

a

KI

ASME XI H app.

ASME XI A app.

FEM

R6


a/t=0,5 mm =22,5°


Bending

0

100

200

300

400

500

600

0 10 20 30 40 50

KI

ASME XI H app.ASME XI A app.FEMR6

Bending

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 10 20 30 40 50 60a

KI

ASME XI H app.

ASME XI A app.

FEM

R6


Következtetések

• A feszültség eloszlás a falon jelentősen különbözik a húzott és a hajlított egyenes cső esetén.

• Az ASME BPVC XI H melléklet nem alkalmazható a vizsgált geometria esetén, mivel nem-konzervatív értéket ad.

• Az ASME BPVC XI A melléklet konzervatív közelítést ad, azonban nem javasolt a használata kiterjedt repedések esetén a paraméter közelítések ellenőrzése nélkül.

• A hőterhelések, falmenti hajlításként kezelhetők, így az ASME BPVC XI A melléklet alkalmazható.

• A hűtésnek nincs jelentős hatása a repedésterjedésre az a/t=0,5 felett.• Az R6 eljárás alkalmazhatónak tűnik, azonban további numerikus igazolás

szükséges más véges-elemes szoftverek segítségével

BAY-LOGI

BAY-LOGI

Köszönöm figyelmüket!Köszönöm figyelmüket!

Logisztikai ésGyártástechnikai Intézet

Documents

SZERKEZET-INTEGRITÁSI OSZTÁLY