FEM-Berechnung mit einem Schalenmodell und Nachweise für Flansche und Schrauben für ein Abgasgehäuse

Inhaltsverzeichnis

FEM-Analyse eines Abgasgehäuses
FEM-Modell
Gewählter Werkstoff
Belastungen
Prüfdruck
Betriebsdruck
Nachweis für Bolzendurchmesser
Randbedingungen
Nachweis für unbehinderte Wärmeausdehnungen
Ergebnisauswertung Prüfzustand
Ergebnisauswertung Betriebszustand
Berechnung der Deckel, Flansche und Schrauben
Deckel Rechteck 1
Schrauben 1
Deckel Rechteck 2
Schrauben 2
Deckel 3
Schrauben 3
Deckel rund
Flansch rund

Gewählte Deckel-Wanddicken

Stückliste

Zusammenfassung

FEM-Analyse eines Abgasgehäuses

Bei dem hier vorliegenden FEM-Projekt wird eine statische Finite Elemente Analyse eines Abgasgehäuses mit dem FEM-Programmsystem MEANS V5 durchgeführt, um eine genaue Aussage über den Spannungsverlauf treffen zu können.

Wie hoch müssen Wand- und Rippenstärke ausgelegt werden, wenn das wassergekühlte Abgasgehäuse aus Stahl bei einem Prüfdruck von 6 bar und bei einem Betriebsdruck von 3 bar zuzüglich Gewichtskräfte belastet wird.

Die Bewertung der Spannungen erfolgt nach der Druckgeräterichtlinie / AD-S4.

FEM-Modell

Das mit MEANS erstellte Finite Elemente Modell besteht aus 7823 Knotenpunkte, 2604 SHEL8-Mindlin-Schalenelemente sowie 10 SHEL6-Mindlin-Schalenelemente , 14 Elementgruppen und 46 938 Freiheitsgraden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Elementgruppe 1 + 2

Gehäusewände

Wandstärke 14 mm Nennwanddicke – 1.0 mm Korrosionszuschlag

– 0.5 mm Toleranzzuschlag

In der Rechnung eingesetzte Wanddicke = 12,5 mm

E- Modul = 200 000 N/mm2

P-Zahl = 0.3

Dichte = 7.8 E-9 kg/mm3

Wärmeausdehnungskoeffizient = 13 E-6

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Elementgruppe 3:

Verstärkungsplatte oben

Wandstärke 20 mm Nennwanddicke – 1.0 mm Korrosionszuschlag

– 0.6 mm Toleranzzuschlag

In der Rechnung eingesetzte Wanddicke = 18,4 mm

E- Modul = 200 000 N/mm2

P-Zahl = 0.3

Dichte = 7.8 E-9 kg/mm3

Wärmeausdehnungskoeffizient = 13 E-6

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Elementgruppe 4:

Vertikale Rippen

Wandstärke = 30 mm

E- Modul = 200 000 N/mm2

P-Zahl = 0.3

Dichte = 7.8 E-9 kg/mm3

Wärmeausdehnungskoeffizient = 13 E-6

Rippenlänge = 120 mm

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Elementgruppe 5:

Quer-Rippen

Wandstärke = 40 mm

E- Modul = 200 000 N/mm2

P-Zahl = 0.3

Dichte = 7.8 E-9 kg/mm3

Wärmeausdehnungskoeffizient = 13 E-6

Rippenlänge = 200 mm

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Elementgruppe 6:

Lagerplatten

Wandstärke = 40 mm

E- Modul = 200 000 N/mm2

P-Zahl = 0.3

Dichte = 7.8 E-9 kg/mm3

Wärmeausdehnungskoeffizient = 13 E-6

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Elementgruppe 7:

Durchmesser für runden Flansch

Wandstärke = 20 mm

E- Modul = 200 000 N/mm2

P-Zahl = 0.3

Dichte = 7.8 E-9 kg/mm3

Wärmeausdehnungskoeffizient = 13 E-6

Elementgruppe 8:

Runder Flansch

Wandstärke = 60 mm

E- Modul = 200 000 N/mm2

P-Zahl = 0.3

Dichte = 7.8 E-9 kg/mm3

Wärmeausdehnungskoeffizient = 13 E-6

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Elementgruppe 9:

Deckel-Flansche

Wandstärke = 30 mm

E- Modul = 200 000 N/mm2

P-Zahl = 0.3

Dichte = 7.8 E-9 kg/mm3

Wärmeausdehnungskoeffizient = 13 E-6

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Elementgruppe 10:

Stegelemente

Auflager vereinfacht modelliert.

Genauer Nachweis der Auflagerbolzen erfolgt analytisch.

E- Modul = 200 000 N/mm2

P-Zahl = 0.3

Dichte = 7.8 E-9 kg/mm3

Wärmeausdehnungskoeffizient = 13 E-6

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Elementgruppe 11+12+14:

Rückseite mit Verstärkungen

Wandstärke = 18 mm (gerechnet mit 16,4 mm)

Verstärkungen = 30 mm

E- Modul = 200 000 N/mm2

P-Zahl = 0.3

Dichte = 7.8 E-9 kg/mm3

Wärmeausdehnungskoeffizient = 13 E-6

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gewählter Werkstoff

Es wird der Werkstoff P265GH nach EN 10028 T2 ausgewählt.

Zulässige Spannungen nach AD-S4:

Zulässige primäre Membranspannungen für Werkstoff P265GH:

- für den Prüfzustand:
- f = 265 / 1.05 = 252 N/mm2 bis 16 mm Wanddicke
- f = 255 / 1.05 = 242 N/mm2 bis 40 mm Wanddicke
- für den Betriebszustand 200 Grad
- f = 195 / 1.5 = 130 N/mm2 bis 60 mm Wanddicke

Zulässige primäre lokale Membranspannungen: 1.5 * f

- f prüf. = 1.5 * 252 = 378 N/mm2 bis 16 mm Wanddicke
- f prüf. = 1.5 * 242 = 363 N/mm2 bis 40 mm Wanddicke
- f betr. = 1.5 * 130 = 195 N/mm2

zulässige primäre Biegespannungen: 1.5 * f

- f prüf. = 1.5 * 252 = 378 N/mm2 bis 16 mm Wanddicke
- f prüf. = 1.5 * 242 = 363 N/mm2 bis 40 mm Wanddicke
- f betr. = 1.5 * 130 = 195 N/mm2

zulässige sekundäre Spannungen bis 3.0 * f

- f prüf. = 3 * 252 = 756 N/mm2 bis 16 mm Wanddicke
- f prüf. = 3 * 242 = 726 N/mm2 bis 40 mm Wanddicke
- f betr. = 3 * 130 = 390 N/mm2

Belastungen

Für folgende zwei Lastfälle muß das FEM-Modell ausgelegt werden:

Prüfzustand

Der Prüfdruck beträgt 6 bar bzw. 0.6 N/mm2. Alle Flansche sind mit Deckeln verschlossen. An allen Flanschen treten Deckelkräfte (Schraubenkräfte) aus Druck auf. Diese werden vereinfacht als Flächenlasten auf die Flansche verteilt.

Betriebszustand

Der Betriebsdruck beträgt 3 bar bzw. 0.3 N/mm2. Am runden Flansch treten nur noch geringe Kräfte auf. Als Gesamtkraft hat der Kunde 200 kN je Seite an den Zugstangen angegeben. Die resultierende Kompensatorkraft auf die Lager kann nur über den runden Flansch zurückgeleitet werden.

Prüfdruck

1.) Flächenlasten auf Flansche

Alle Schalenelemente des FEM-Modells sind so numeriert, daß die Flächen-Normale nach außen gerichtet ist, d.h. eine positive Flächenlast bedeutet Innendruck und eine negative Flächenlast bedeutet Außendruck.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

a) Deckel 1

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Flächenlast auf Deckel = 6 bar = 0.6 N/mm2

Deckel-Fläche = 860 mm * 1050 mm = 903 000 mm2

Gesamtlast = 541 800 N

Flanschfläche = (1020 mm * 1210 mm) - (860 mm * 1050 mm)

= 1234 200 mm2- 903 000 mm2

= 331 200 mm2

Flächenlast auf Flanschfläche = Gesamtlast / Flanschfläche

= 541 800 N / 331 200 mm2

= 1.63 N/mm2

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