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Wie gestalten wir eine Struktur oder ein Gerät, wenn wir auf eines stoßen? Dieser Artikel erörtert Aspekte wie den Umfang der Spannungsanalyse bei der Konstruktion, die Konstruktionsdrücke, Temperaturen, die Bestimmung der Lasten, die Eigenschaftsparameter der Materialien, die Erstellung mechanischer Modelle, die Bewertung der Spannungsstärke, die Bewertung der Ermüdungsstärke, spezielle Anforderungen an die Fertigungsprüfungen sowie die Erstellung von Berichten zur Spannungsanalyse. Ziel ist es, eine allgemeine Regelung für den Prozess der Spannungsanalyse bei der Konstruktion zu bieten. 1. Welche Strukturen benötigen eine Spannungsanalyse? Wenn eine Struktur oder ein Druckbehälter eine der folgenden Bedingungen erfüllt, kann er gemäß JB/T4732-1995 „Stahldruckbehälter – Standards für die analytische Konstruktion“ (bestätigt im Jahr 2005) oder Anhang D von GB/T12337-2014 „Stahlsphärische Speicher“ analysiert und konstruiert werden: a) Druckbehälter sowie ihre belasteten Komponenten, die zyklischen Belastungen ausgesetzt sind und deren Betriebsbedingungen nicht den Anforderungen von Abschnitt 3.10 in JB/T4732 entsprechen, müssen gemäß Anhang C von JB/T4732 hinsichtlich der Ermüdung analysiert und bewertet werden ； b) Für Druckbehälter oder belastete Bauteile, bei denen die Strukturabmessungen nicht nach GB/T150 bestimmt werden können, müssen Berechnungen und Bewertungen zur Spannungsanalyse unter Verwendung der Finite-Element-Methode durchgeführt werden, um die Konstruktion zu planen ； c) Nach einer umfassenden Bewertung unter Berücksichtigung der Konstruktionsanforderungen an Druckbehälter, der Eigenschaften des Materials, der Herstellungsschwierigkeiten sowie der Wirtschaftlichkeit müssen für solche Druckbehälter Methoden der analytischen Konstruktion angewandt werden – beispielsweise bei großen Hochdruckreaktoren oder Hochdruckbehältern ； d) Bei kugelförmigen Speichern mit großem Durchmesser oder hohem Druck sollte bei der Konstruktion unter Berücksichtigung von Aspekten wie Wirtschaftlichkeit eine Spannungsanalyse gemäß Anhang D der GB/T12337 durchgeführt werden ； e) Druckbehälter, bei denen der Eigentümer eine Stressanalyse und ein entsprechendes Design verlangt. 2. Wie werden die Designtemperatur, der Druck und die Belastung bestimmt? (1) Der Entwurfsdruck, die Temperatur sowie die Belastung werden entsprechend den Abschnitten 3.6.3.1, 3.6.3.2 und 3.6.3.3 der Norm JB/T4732 sowie den Normen GB/T12337, GB/T151, NB/T47041 und NB/T47042 festgelegt. Wenn eine der Lasten im Laufe der Zeit variiert, sollte eine Lastfrequenzkurve erstellt werden, um die Veränderung jeder einzelnen Last im Zeitverlauf darzustellen. Die Lastfrequenzkurve sollte alle Betriebstemperaturen, -drücke, zusätzlichen Lasten sowie die entsprechenden Zyklenzahlen oder Zeitintervalle aller wichtigen Prozesse berücksichtigen, die auf dieses Bauteil einwirken. (2) Zu den konstruktiven Lasten gehören: Innendruck, Außendruck, statische Flüssigkeitslast, das Eigengewicht des Behälters (einschließlich der Schwerkraftlast der darin befindlichen Materialien), zusätzliche Lasten (Lasten von Anbaugeräten, Auflasten an Rohren sowie die Schwerkraftlast von externen Komponenten usw.), zyklische Lasten, Reaktionskräfte durch Stützelemente, Temperaturunterschiede, die zu Lasten führen, Windlasten, Erdbebenlasten, Schneelasten usw. 3. Wie erhält man die Materialleistungsparameter? (1) Der Elastizitätsmodul des Materials, der Poisson-Koeffizient, der Wärmeausdehnungskoeffizient, die Wärmeleitfähigkeit, die Wärmediffusion, die Dichte sowie die spezifische Wärmekapazität sollen gemäß GB/T150, GB/T151, ASME Band II, Teil D sowie den entsprechenden Normen gewählt werden. (2) Methode zur Bestimmung des zulässigen Spannungspegels: a) Bei lokal strukturierten Bauteilen werden die zulässigen Spannungspegel für die Materialien der belasteten Komponenten gemäß der „Analytischen Entwurfsmethode“ nach den Vorgaben von GB/T150.2 festgelegt ； b) Die Designbelastung der Materialien der belasteten Bauteile der Gesamtstruktur wird gemäß der „Analytisch-entwerpfenden Methode“ festgelegt und entspricht den Vorgaben von JB/T4732 ； c) Für die Konstruktion von kugelförmigen Tanks nach der „Analytisch-entwerpfenden Methode“ werden die zulässigen Spannungsstärken gemäß den Vorgaben in Anhang D der Norm GB/T12337 festgelegt ； d) Wenn Materialien mit ausländischen Normen verwendet werden, müssen die zulässigen Spannungen oder die Design-Spannungsfestigkeiten gemäß GB/T150.1 (bei lokal strukturierten Konstruktionen nach analytischem Entwurfsverfahren) bzw. JB/T4732 (bei vollständig strukturierten Konstruktionen nach analytischem Entwurfsverfahren) berechnet werden. Dabei dürfen diese Werte nicht über den in den entsprechenden ausländischen Normen für Druckbehälter festgelegten Werten liegen. (3) Die Spannungs-Dehnungskurven können gemäß Anhang 3.D in ASME VIII-2 ausgewählt werden, einschließlich elastischer – ideal plastischer sowie realer Spannungs-Dehnungskurven unter Berücksichtigung der Dehnungsverhärtung, zyklischer Spannungs-Dehnungskurven sowie stabiler realer Spannungs-Dehnungsspannungskurven. 4. Wie wird ein mechanisches Modell erstellt? Auf der Grundlage von Grundkenntnissen aus der Elastizitätsmechanik, der Platten- und Körperscheibentheorie, der Plastizitätsmechanik sowie der Finite-Element-Methode – sowie unter Berücksichtigung der strukturellen Eigenschaften und der Lastbedingungen – wird ein mechanisches Modell der Struktur erstellt. Die Beurteilung der Art des zu analysierenden Problems kann wie folgt erfolgen: a) In Gleichungen des Gleichgewichts, in Beziehungen zwischen Spannung und Dehnung, in Beziehungen zwischen Dehnung und Verschiebung sowie in Rand- und Verbindungsbedingungen gilt: Sollten in irgendeiner dieser Gleichungen nichtlineare Terme zwischen den Variablen auftreten, handelt es sich um ein nichtlineares Problem ； b) Nur dann kann es sich um ein statisches Problem handeln, wenn alle Variablen und Beziehungen zeitunabhängig sind ； c) Wenn im Bauteil große Temperaturgradienten vorliegen – einschließlich räumlicher und zeitlicher Temperaturgradienten – müssen eine Wärmeleitfähigkeitsanalyse sowie eine Wärmestressanalyse durchgeführt werden. Wenn der Wärmestress sehr gering ist oder im Vergleich zu anderen Spannungen keine bedeutende Rolle spielt, kann auf den Wärmestress verzichtet werden ； d) Wenn das Material eine lokale plastische Verformung aufweist, kann die Konstruktion dennoch nach den Prinzipien der elastischen Analyse erfolgen ； Wenn das Material eine große plastische Verformung aufweist, muss es als Plastikproblem oder Elastoplastikproblem behandelt werden. 5. Wie kann ein Modell vereinfacht werden? Komplexe Strukturen werden anhand der geometrischen Eigenschaften ihrer einzelnen Teile sowie der Verteilung der Lasten in typische Bauelemente wie Stangen, Balken, Platten, Schalen und Körper umgewandelt ； Wenn die Struktur des dreidimensionalen Modells sowie die darauf wirkenden Lasten vollständig symmetrisch sind, kann sie auf eine zweidimensionale Struktur vereinfacht werden ； Wenn die Struktur die Bedingungen der periodischen Symmetrie erfüllt, kann ein 1/n-Modell erstellt werden (wobei n die Periode darstellt). Das Modell wird vereinfacht, um so weit wie möglich die Genauigkeit der Analyseergebnisse für die interessierenden Positionen zu gewährleisten. 6. Wie wählt man eine Zelle aus? Für numerische Finite-Element-Simulationen mit ANSYS Mechanical APDL sollte vorzugsweise ein Elementtyp mit Zwischenknoten verwendet werden. Für die Spannungsanalyse, Ermüdungsanalyse usw. werden vorzugsweise die dreidimensionalen Solid186-Hochgrad-Einheiten verwendet (die entsprechenden Temperatur-Einheiten sind Solid90). Wenn die Anzahl der Rechennetze groß ist, können auch die Solid185-Niedriggrad-Einheiten verwendet werden (die entsprechenden Temperatur-Einheiten sind Solid70) ； Für Biegeanalyse, Grenzlastanalyse, Modalanalyse usw. werden vorzugsweise Shell-Elemente vom Typ Shell181 verwendet ； Für zweidimensionale Strukturen wird vorzugsweise das Planenelement Plane82 verwendet ； Für Balkenkonstruktionen wird vorzugsweise die Balkeneinheit Beam189 verwendet ； Bei der Kontaktanalyse sollten vorzugsweise die Kontaktzellen Conta173 und die Zielformen Targe170 verwendet werden ； Als Dämpfungselemente sollten vorzugsweise Inter195-Dämpfungseinheiten verwendet werden ； Für Qualitäts-Einheiten wird vorzugsweise Mass21 verwendet ； Die Auswahl der übrigen Elemente kann in der Hilfedokumentation von ANSYS 14.5 nachgeprüft werden. Je nach strukturellen Eigenschaften können auch verschiedene Elemente zur Kombination verwendet werden. Für andere Finite-Element-Simulationstools werden die Elementtypen nach den oben genannten Prinzipien ausgewählt. 7. Wie erfolgt die Gitterteilung? (1) Bei dreidimensionalen Körperstrukturen wird vorzugsweise ein Hexahedron-Netzwerk verwendet ； Für Schalenstrukturen oder zweidimensionale Flächenstrukturen wird vorzugsweise ein Vierkantgitter verwendet. Das Seitenverhältnis der idealen Elemente beträgt 1. Für akzeptable Elemente liegt das Seitenverhältnis im Bereich, wobei das Seitenverhältnis bei linearen Elementen unter 3 und bei quadratischen Elementen unter 10 liegt. (2) Bei der Gitterung des Modells muss sichergestellt werden, dass die benachbarten Körper des Mehrkörpermodells gemeinsame Knoten teilen ； Wenn die Freiheitsgrade der Elementtypen der benachbarten Körper unterschiedlich sind, können diese durch Methoden wie die Methode der Restriktionsgleichungen, die Mehrpunktrestriktionsmethode (MPC), die Methode der Steifigkeitsaddition, die Methode der komplexen Elemente oder die Methode der orthogonalen Körperschalen miteinander abgestimmt werden. Für Assemblagen sind in der Regel Kontaktpaare zu definieren. (3) Bei der Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit des Grids muss die Zuverlässigkeit der Ergebnisse der Grid-Berechnungen gewährleistet werden. Die übliche Vorgehensweise besteht darin, die ursprüngliche Gitterdichte zu verdoppeln. Wenn der Unterschied zwischen den Ergebnissen beider Berechnungen unter 3 % liegt, kann man davon ausgehen, dass die ursprüngliche Gitterdichte zuverlässig ist ； Andernfalls muss die Gitterdichte erneut angepasst und der obige Vorgang wiederholt werden, bis die Gitterdichte den Anforderungen an Zuverlässigkeit entspricht. 8. Wie werden Lasten und Randbedingungen angelegt? Die Kombinationen der Konstruktionslasten sowie der Prüflasten werden gemäß Tabelle 3-3 in der Norm JB/T4732 festgelegt. Die Analyse der Spannungen bei den Lastkombinationen für Zylindrische Behälter erfolgt gemäß Abschnitt D.4.3 des Anhangs zur Norm GB/T12337. Die zu analysierenden Lastbedingungskombinationen hängen ebenfalls von den tatsächlichen Umständen ab. Falls im Betrieb mehrere Bedingungen vorliegen, sollten diese einzeln analysiert werden. Die Anwendung der Randbedingungen muss den tatsächlichen Beschränkungen der Struktur entsprechen: a) Lastbedingungen: Bestimmung des Ortes, der Richtung und der Größe der Lasten an den Knotenpunkten des Modells, der Lasten entlang der Kanten der Elemente sowie der Flächen- und Volumenkräfte sowie der Temperaturlasten ； b) Wärmegrenzbedingungen: Bestimmung der Position, des Ausmaßes oder der Funktionsweise der Temperatur der Knoten im Modell sowie der Wärmeübertragung durch Leitwärme, Konvektion und Strahlung ； c) Verschiebungsbeschränkungen: Es werden Vorgaben dafür gemacht, wie die Verschiebungen der Knoten sowie der Freiheitsgrade der Knoten im Modell durch Beschränkungen eingeschränkt werden – sowie welche Art und Größe diese Beschränkungen haben sollen ； d) Andere Randbedingungen: Definition weiterer für die Analyse verwendeter Randbedingungen im Modell, wie z. B. Primär- und Sekundärbewegungsfreiheiten, Verbindungsfreiheiten oder Bewegungsfreiheiten. 9. Wie wird die Spannungsintensität bewertet? a) Nach Abschluss der Finite-Elemente-Stressanalyse sollte der benutzerdefinierte Pfad senkrecht zu den Isolinien der höchsten Stresskomponenten verlaufen. Zudem sollte der Pfad senkrecht zur Mittellinie der Querschnittsfläche liegen, um eine ähnliche Genauigkeit zu erzielen. Durch die Linearisierung des Stresses entlang dieses Pfades können der Scherstress, der Biegestress, der Gesamtsstress sowie der maximale Stress ermittelt werden. b) Die Klassifizierung des Spannungsgrades erfolgt nach Tabelle 4-1 und Tabelle 5-3 in JB/T4732. Die Entwerfer unterscheiden zwischen den Eigenschaften der Spannungen in der Schicht – sei es als globale oder lokale Spannungen – sowie der Biegespannungen – sei es als primäre oder sekundäre Biegespannungen –, indem sie Faktoren wie die Bedeutung der Spannungen für das Versagen der Stärke des Behälters, die Bereiche und Verteilungsformen der Spannungen, die Ursachen für die Entstehung der Spannungen sowie deren Einfluss auf das Versagen berücksichtigen. c) Der Wert der Grenzfestigkeit wird gemäß den Abschnitten 5.2 und 5.3 sowie Tabelle 5-1 in JB/T4732 bestimmt. Der Koeffizient für die Lastkombinationen ergibt sich aus Tabelle 3-3 in JB/T4732. d) Für den lokalen Schichtspannungsdruck am kleinen Ende der Kegelhülle soll eine Wertegröße von 1,1 mal der konstruktiven Spannungsstärke als Kontrollwert verwendet werden ； Für große Öffnungen muss bei einer Winkelstellung von 90 Grad zwischen der Wurzel des Anschlusses und der Längsachse der Hülle die Biegebelastung als Primärbelastung berücksichtigt werden. 10. Wie wird die Ermüdungsfestigkeit bewertet? a) Die Berechnung der Amplitude der wechselnden Spannungsstärke Salt erfolgt in zwei Fällen: Entweder bleiben die Richtungen der Hauptspannungen am betrachteten Punkt während des Zyklus konstant, oder sie ändern sich. Die Berechnung wird gemäß Abschnitt C.2.1 des Anhangs C von JB/T4732 durchgeführt. Dabei müssen nur die durch den vorgegebenen Betriebszyklus verursachten Spannungen berücksichtigt werden; Spannungen, die durch nicht veränderliche Lasten oder Temperaturbedingungen entstehen, müssen hingegen nicht berücksichtigt werden. b) Anwendung zur Erstellung der Ermüdungskurve gemäß C.2.2 in Anhang C von JB/T4732. c) Akkumulierter Schaden: Wenn es zwei oder mehr signifikante Spannungszyklen gibt, muss der Effekt des akkumulierten Verschleißes nach den Vorgaben in Abschnitt C.2.4 des Anhangs C von JB/T4732 berechnet werden. d) Die Ermüdungsfestigkeit der Schrauben richtet sich nach C.5 in Anhang C von JB/T4732. e) Die Überprüfung der Ermüdungsfestigkeit erfolgt gemäß C.2.2 c) im Anhang C von JB/T4732. Falls austauschbare Bauteile wie Schrauben eine kürzere Lebensdauer haben als der Behälter selbst, muss in den Konstruktionsplänen ausdrücklich die Lebensdauer dieser Schrauben angegeben werden. 11. Welche besonderen Herstellungs- und Prüfanforderungen sind für die Stressanalyse sowie das Design von Strukturen und Behältern notwendig? Bei der Herstellung und Prüfung von Behältern müssen neben den Vorgaben von JB/T4732, GB/T12337 sowie anderen relevanten Standards auch die folgenden Anforderungen erfüllt werden – allerdings nicht ausschließlich diese: a) Bei Druckbehältern, bei denen eine Belastungsanalyse unter Berücksichtigung zyklischer Lasten durchgeführt wird, müssen die Innen- und Außenflächen der Schweißnähte der Klassen A und B mit der Oberfläche des Grundmaterials abschließen. Es darf kein Überschuss an Material vorhanden sein. b) Bei Druckbehältern, die nach einer Ermüdungsanalyse (mit zyklischen Belastungen) konzipiert sind, ist das Anbringen des Schweißerstempels nicht zulässig. Der Hersteller muss eine andere Methode zur Überprüfung der Kennzeichnung des Schweißers festlegen. c) Schweißverbindungen der Klassen A und B müssen nach den in den Vorgaben festgelegten Methoden zu 100 % mit Röntgen- oder Ultraschallprüfung überprüft werden. Bei der Konstruktion muss auf die Durchführbarkeit dieser Prüfungen Rücksicht genommen werden. d) Schrauben mit einem Durchmesser größer als M36 müssen mittels Magnetpartikel- oder Durchflussprüfung überprüft werden. 12. Wie erstellt man einen Bericht zur Spannungsanalyse? Ein vollständiger Bericht zur Spannungsanalyse sollte die folgenden Inhalte enthalten: a) Lastanalyse: Konstruktionsparameter, Zusammenfassung der Anlage, Daten zu den Eigenschaften des Materials ； b) Berechnung der Stärke der Hauptkomponenten ； c) Strukturanalyse und mechanisches Modell: geometrische Parameter der Struktur, Finite-Element-Modell, Lasten und Randbedingungen ； d) Ergebnisse der Spannungsanalyse ； e) Bewertung der Spannungsstärke ； f) Bewertung der Ermüdungsfestigkeit (für druckbelastete Behälter): Druckbehälter (außer Schrauben) sowie Schrauben ； g) Schlussfolgerung ； h) Hauptsächliche technische Angaben ； i) Anhang: Daten zur Linearisierung der Spannungen entlang des Weges, Berechnungsunterlagen für die Tragelemente oder Berechnungsunterlagen für die Komponenten nach der „Regelbasierten Entwurfsmethode“ usw. Das sind einige persönliche Gedanken des Autors – es können durchaus Unzulänglichkeiten darin sein. Ich lade alle ein, dazu zu diskutieren!