【ASME-Analyse- und Entwurfsverfahren】Anforderungen und Schritte bei ASME-Analyse- und Entwurfsverfahren

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Dieser Beitrag wurde zuletzt von B0SS am 11.4.2018 um 20:44 bearbeitet. Die ASME-Analyse- und Entwurfsstandards basieren hauptsächlich auf den möglichen Versagensmustern einer Komponente. Um die Sicherheit einer Komponente beurteilen zu können, müssen folgende vier Versagensmuster berücksichtigt werden – und jedes davon muss vermieden werden: 1) Verhinderung eines plastischen Zusammenbruchs, 2) Verhinderung lokaler Versagen, 3) Verhinderung der Instabilität, 4) Verhinderung von Versagen unter zyklischen Belastungen. 1. Verhinderung eines plastischen Zusammenbruchs? Es gibt drei Methoden, um einen plastischen Einsturz der Struktur zu verhindern: 1) Elastische Spannungsanalyse ； 2) Analyse der Grenzlast ； 3) Elastoplastische Spannungsanalyse. 1) Zur Verhinderung eines plastischen Zusammenbruchs der Komponenten durch elastische Spannungen müssen drei Arten von Spannungen berücksichtigt werden: die Gesamtspannung in der Schicht (Pm), die lokale Spannung in der Schicht (PL) sowie die Spannung, die durch Biegen entsteht (PL+Pb). Für Pm wird in der Regel durch herkömmliche Berechnungen gesorgt, weshalb nur die beiden letzten Stressarten bewertet werden müssen. PL+Pb hingegen ist in vielen Fällen schwer zu unterscheiden und kann leicht als sekundärer Stress (Q) eingestuft werden – was wiederum zu Risiken für die Sicherheit der Struktur führen kann. Es ist zu beachten, dass bei der Bewertung der sekundären Spannungen die aus der Analyse der Betriebsbedingungen ermittelten Spannungen herangezogen werden müssen ； Die ASME-Norm verwendet die vierte Festigkeitstheorie – die Theorie des Energieverhältnisses bei Formänderungen – während JB/T4732 die dritte Festigkeitstheorie – die Theorie des maximalen Scherkräftewertes – anwendet. 2) Analyse der Grenzlasten: Die ASME-Ⅷ-2-Vorschriften haben das Konzept des Last- und Widerstandsfaktor-Designs (Load and Resistance Factor Design, LRFD) eingeführt und dieses auf die Analyse von Grenzlasten sowie elastisch-plastischen Verhaltensweisen angewandt. Dabei wird nicht mehr die doppelte elastische Steigung als Kriterium verwendet. Auf der Grundlage der Lastkombinationen und Lastkoeffizienten aus der Grenzlastanalyse in Tabelle 5.4 werden folgende Lastfallkombinationen unterschieden: Lastfallkombination 1: Gesamtkriterium, Lastfallkombination 2: Lokales Kriterium, Lastfallkombination 3: Hydraulische Prüfbedingungen. Bei der Analyse müssen die Lastkombinationen sowie die entsprechenden Koeffizienten für jede mögliche Kombination berücksichtigt werden. Erst wenn für jede Kombination eine konvergente Lösung erzielt werden kann, gilt die Analyse der Grenzlasten der Struktur als erfolgreich. 3) Elastoplastische Spannungsanalyse: Bei der elastoplastischen Spannungsanalyse werden ebenfalls Last- und Widerstandskoeffizienten berücksichtigt. Laut Tabelle 5.5 in ASME VIII-2 sind für die elastoplastische Spannungsanalyse bestimmte Kombinationen von Lasten sowie Lastkoeffizienten zu berücksichtigen. Dazu gehören allgemeine Kriterien, lokale Kriterien sowie Bedingungen für hydraulische Tests. Solange die Summe aus der Formungsdehnung aller Elemente und der gesamten äquivalenten plastischen Dehnung kleiner oder gleich der dreiaxialen Dehnungsgrenze ist, befindet sich die Struktur in einem sicheren Zustand. Vergleich zwischen elastischer Analyse und elasto-plastischer Analyse: (1) Die elastische Spannungsanalyse ist eine lineare Analyse, bei der das Material stets im linear-elastischen Bereich bleibt. Dabei wird die Theorie der kleinen Deformationen angewandt; die Steifigkeitsmatrix ändert sich nicht mit der Deformation der Struktur. Es ergeben sich somit nominelle Spannungen und Dehnungen ； Die elasto-plastische Spannungsanalyse ist eine Analyse der material- und geometrischen Nichtlinearität, bei der echte Spannungs-Dehnungskurven eingegeben werden müssen, um die Dehnungsverstärkung des Materials zu berücksichtigen. Im Laufe des iterative Löseverfahrens wird die Steifigkeitsmatrix der Struktur mit der Deformation der Struktur ständig aktualisiert, wodurch neue Gleichungen für das Gleichgewicht erzeugt werden. Dadurch liegen die berechneten Werte für Spannungen und Deformationen näher an den Werten in der Praxis. (2) Im Lösungsprozess ist die Analyse der elastischen Spannungen relativ einfach – es genügt, die entsprechenden Lasten anzuwenden ； Die Einstellungen für die elasto-plastische Spannungsanalyse sind hingegen etwas komplexer. Es müssen einige nichtlineare Lösungsoptionen festgelegt werden, um die Konvergenz der Struktur zu gewährleisten – beispielsweise: Zeitschritte, Schalter für große Deformationen, lineare Suche, Newton-Raphson-Optionen, automatische Zeitschrittlänge, Vorhersage der Zeitschrittlänge sowie Art der Belastung. (3) Im Nachbehandlungsprozess muss die elastische Spannungsanalyse einen benutzerdefinierten Pfad verwenden; nach der Linearisierung der Spannungen entlang dieses Pfades wird anschließend eine Bewertung der Spannungshärte vorgenommen. Die Linearisierung des Spannungsverhaltens hängt stark von der Gitterstruktur sowie vom Bediener ab und weist eine große Zufälligkeit auf. In Fällen mit komplexen Belastungen kann es vorkommen, dass eine genaue Einteilung nach den Belastungskategorien nicht möglich ist, was wiederum zu überstürzten Entscheidungen führen kann ； Die elasto-plastische Spannungsanalyse erübrigt die Linearisierung der Spannungen sowie deren Klassifizierung. Es sind stattdessen nach den ASME-Standards die Mehrachsspannungsgrenzen, die Gesamtäquivalenzplastizitätsdehnung sowie die Dehnungen bei der Formgebung der Struktur zu berechnen und miteinander zu vergleichen. Der Bearbeitungsprozess ist daher im Vergleich zur elastischen Spannungsanalyse etwas komplexer. (4) Schwerpunkt der Betrachtung: Die Analyse der elastischen Spannungen konzentriert sich auf die Spannungshärte der Struktur sowie auf die einzelnen Spannungskomponenten nach Linearisierung ； Die elastisch-plastische Spannungsanalyse konzentriert sich hauptsächlich darauf, ob die Berechnungen konvergieren, ob die Kurven für Spannungen, Deformationen und plastische Deformationen im Laufe der Belastung glatt sind, sowie auf den mehrachsigen Dehnungslimiten, die gesamte äquivalente plastische Deformation und die Deformationen bei der Formgebung der Struktur. Dies liegt hauptsächlich daran, dass die beiden Methoden unterschiedliche Kriterien zur Beurteilung der Berechnungsergebnisse verwenden: Die erste Methode nutzt Kriterien zur Einstufung des Spannungsgrades, während die zweite Methode das Kriterium des lokalen Dehnungslimits verwendet. (5) In den meisten Fällen muss die Linearisierung der elastischen Spannungen für die gefährdeten Querschnitte in eine Beurteilung darüber umgewandelt werden, ob an bestimmten Stellen plastische Verbände entstehen (es sei denn, es handelt sich um ein axialsymmetrisches Modell oder ähnliche Fälle). Es ist nicht möglich zu beurteilen, ob der gesamte Querschnitt in einen plastischen Zustand übergeht. Doch das Vorhandensein einer begrenzten Anzahl von nicht miteinander verbundenen plastischen Verbindungen hindert die Struktur nicht daran, weiterhin Lasten zu tragen. Die elastisch-plastische Spannungsanalyse berücksichtigt die durch Deformationen verursachte Umverteilung der Spannungen und ermöglicht es, das Phänomen, bei dem plastische Drehpunkte zu geometrisch veränderlichen Mechanismen führen, anschaulich zu simulieren. Daher ist die elastische Spannungsanalyse konservativer als die elasto-plastische Spannungsanalyse, doch diese erfordert mehr Zeit und höhere Anforderungen an die Computerhardware. 2. Verhinderung von lokalen Ausfällen? Um ein lokales Versagen der Struktur zu verhindern, können elastische und elasto-plastische Analysen eingesetzt werden. 1) Für die Elastizitätsanalyse muss lediglich die algebraische Summe der drei Spannungen kleiner als 4S sein. 2) Bei der elasto-plastischen Analyse muss sichergestellt werden, dass bei jeder Kombination von Lasten die Summe aus den Dehnungen aller Elemente sowie der gesamten äquivalenten plastischen Dehnung kleiner oder gleich der dreiaxialen Dehnungsgrenze ist – dann ist die Struktur sicher. 3. Stabilitätsverlust verhindern? Durch numerische Analyse der Struktur wird die Biegebelastung der Struktur ermittelt. Durch Division dieser Wertes durch die entsprechende Sicherheitsbelastung erhält man den zulässigen äußeren Druck auf die Struktur. Die Methoden hierfür sind die Eigenwertanalyse und die nichtlineare Analyse. Die Eigenwertanalyse gehört zur linearen Biegeanalyse und ist eigentlich nicht praktikabel. Die nichtlineare Analyse hingegen umfasst geometrische Nichtlinearitäten, materialbedingte Nichtlinearitäten, Nichtlinearitäten der Randbedingungen oder Kontaktanalysen – sie entspricht somit besser den Anforderungen der Ingenieurpraxis. 4. Verhindern von Schleifenfehlern? 1) Es gibt tatsächlich zwei Arten von Instabilität bei der Bewertung von Rädern: Während des wiederholten Belastens kommt es in derselben Stelle immer wieder zu wechselhaften plastischen Verformungen. In diesem Fall wird die Stabilität nicht gewährleistet, was zu plastischer Ermüdung führt. Solche Schäden können bereits in kurzer Zeit auftreten – man spricht dabei von Schäden durch Niedrigfrequenzermüdung. Es gibt noch eine Art, bei der die plastische Verformung nicht abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen stattfindet, sondern sich anhäuft – das wird als Ratschenphänomen bezeichnet. Die Zerstörung wird als kumulative plastische Deformationszerstörung bezeichnet. Wenn es nur eine Gruppe von wiederholten Belastungen gibt, tritt kein Ratschenphänomen auf. Für eine Anlage ist eine Ratschenbewertung unerlässlich, egal ob es sich um eine belastete Anlage handelt oder nicht – solange es Starts und Stops gibt. Die Ratschenbewertung wird unter Betrachtung der Betriebsbedingungen durchgeführt, wobei es um einen Amplitudenwert geht. Sie ähnelt in gewisser Weise der Ermüdungsbewertung, und das Ergebnis dieser Bewertung dient als Koeffizient für die Ermüdungsbewertung (Ermüdungsschadenskoeffizient). Wenn die Bedingung von kleiner als Sps erfüllt ist, kann beim Ermitteln des Ermüdungsausfalls der Faktor 1 verwendet werden; ansonsten muss der Faktor für den Ermüdungsausfall angepasst werden. Ohne Wärmestress (oder wenn kein signifikanter Wärmestress angenommen wird) muss die kombinierte erste und zweite Belastung der Komponente kleiner oder gleich Sps sein. Sobald es größer ist, gilt es als, dass ein Ratchet-Effekt auftritt, also Instabilität. Bei Wärmestress gibt es zwei Fälle: Im einen Fall ist der durch alle Lasten, einschließlich der Wärmelast, entstehende Stress geringer als Sps – in diesem Fall besteht kein Unterschied zum ersten Fall. Wenn bei Berücksichtigung der Wärmelasten der Wert größer als Sps ist, kann eine getrennte Bewertung vorgenommen werden: Unter Bedingungen ohne Wärmelasten muss der Wert kleiner als Sps sein, und die durch die Wärmelasten entstehenden Wärmestressen müssen separat bewertet werden. Bei Anwendung dieser Methode muss die Anzahl der Nutzungsfälle des Geräts begrenzt werden, d.h., das Gerät wird zu einem ermüdeten Gerät, das verarbeitet wird. Der Grundsatz, auf dem in der Regel eine zweite Stressbewertung beruht, ist die Ratchet-Bewertung. Konkret gilt: Bei keinem Wärmeeinfluss sind die Bewertungen der Sekundärspannungen unter Verwendung des Konstruktionsdrucks und -temperaturwertes in vielen Fällen konservativ, da die Konstruktionstemperaturen und -drücke in der Regel strenger sind als die Bedingungen während des Betriebs ； Bei Temperaturunterschiedsbelastungen wird in der Regel die Betriebsbedingung einzeln verwendet, um die Spannungen unter Berücksichtigung von Temperatur und anderen mechanischen Belastungen zu berechnen. In diesem Fall muss streng nach der Ratchet-Methode vorgegangen werden. 2) Ermittlung der Ermüdung: Die Ermüdungsanalyse wird in elastische Analyse und elasto-plastische Analyse unterteilt. In der Regel wird eine Spannungsanalyse unter zyklischen Bedingungen durchgeführt, um den Spannungsamplitudenwert zu ermitteln. Anschließend werden entsprechende Anpassungen anhand dieses Spannungsamplitudenwerts vorgenommen. Mit Hilfe der entsprechenden Ermüdungskurven kann dann die Ermüdungsdauer der Struktur bestimmt werden. Wenn es zwei oder mehr signifikante Spannungszyklen gibt, muss der Effekt der kumulativen Ermüdungsschäden berechnet werden. In der neuen Version der ASME 2017-Norm wurde die Analyse von Hochtemperaturgeräten nach ASME NH eingeführt. Es werden Methoden zur Analyse und Konstruktion unter Berücksichtigung von Kreuzversagen sowie Kreuzversagen und -Ermüdung bereitgestellt. Dadurch kann die AMSE VIII-2-Norm zur Analyse von Kreuzversagen und -Ermüdung verwendet werden – wodurch die Technologie weiter entwickelt und fortschrittlicher wird.