Bei dem hier vorliegenden FEM-Projekt, wird eine Stahlgießpfanne mit dem FEM-Programmsystem MEANS V8 berechnet, um eine genauere Aussagen über den Spannungsverlauf treffen zu können. Besonders interessiert die Veränderung, wenn die Stahlgießpfanne höher als die offizielle Auslegungsbelastung von 144 t belastet wird.
Inhaltsverzeichnis
EINLEITUNG ZUR FE-ANALYSE DER STAHLGIEßPFANNE
ELEMENTGRUPPEN ERZEUGEN
XY-ANSICHT VON UNTEN
MATERIALDATEN
RANDBEDINGUNGEN
BELASTUNGEN
FORMELN
GRAFISCHE DARSTELLUNG DER SPANNUNGEN
1.) Pfannenmantel
2.) Pfannenboden mit 40 mm und Zangenlagerung
3.) Verstärkungsblech für Boden-Seitenwand mit 60 mm
4.) Pfannenboden mit Fußlagerung
5.) Zapfen und Rippen
6.) Zangengehänge und Zangenbolzen
MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN DER WERKSTOFFE
SPANNUNGSAUSWERTUNG
Mantel 25 mm WStE 460 für 370°C
Boden 60 mm WStE 460 Zangenlagerung für 370°C
Boden 60 mm WStE 460 Fußlagerung
Rippen WStE 460 WStE 460
Obere und unterer Ringe WStE 460
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieses FEM-Projekts ist die numerische Untersuchung des Spannungsverlaufs in einer Stahlgießpfanne mit einem Fassungsvermögen von 140 Tonnen unter Einsatz der Software MEANS V8. Dabei soll insbesondere analysiert werden, wie sich die mechanische Beanspruchung verändert, wenn die Pfanne über ihre offizielle Auslegungsbelastung hinaus belastet wird.
- Durchführung einer FEM-Analyse zur Bestimmung von Biege-, Membran- und Schubspannungen
- Berechnung der Auswirkungen unterschiedlicher Lagerungszustände (Zangenlagerung vs. Fußlagerung)
- Berücksichtigung spezifischer Gewichtslasten durch Roheisen, Schlacke und feuerfeste Auskleidung
- Bewertung der mechanischen Sicherheit basierend auf Materialeigenschaften bei Betriebstemperaturen bis 370°C
- Optimierung der Bauteilsteifigkeit durch den Einsatz von Verstärkungsringen und Verstärkungsblechen
Auszug aus dem Buch
Einleitung zur FE-Analyse der Stahlgießpfanne
Bei dem hier vorliegenden FEM-Projekt, wird eine Stahlgießpfanne mit dem FEM-Programmsystem MEANS V8 berechnet, um eine genauere Aussagen über den Spannungsverlauf treffen zu können. Besonders interessiert die Veränderung, wenn die Stahlgießpfanne höher als die offizielle Auslegungsbelastung von 144 t belastet wird.
Folgender Lagerungszustand soll betrachtet werden: Die Pfanne wird mit einem Gehänge gehoben. Die Steifigkeit des Gehänges wird durch Verstärkungsringe und Verstärkungsbleche erhöht (siehe Skizze).
Folgende Gewichtslasten sollen berücksichtigt werden: Die Stahlgießpfanne hat ein Fassungsvermögen von 140 t. Das Gewicht der Ausmauerung beträgt 33t, Pfannengewicht beträgt 21 t (!). Bedingt durch die Betriebstemperatur von 280°/370° Grad Celsius beträgt das E-Modul 190000 N/mm2 und die Dichte 7850 kg/m3.
Zusammenfassung der Kapitel
EINLEITUNG ZUR FE-ANALYSE DER STAHLGIEßPFANNE: Einführung in das Projektziel, die verwendete Software und die Randbedingungen der Gewichtslasten bei Betriebstemperatur.
ELEMENTGRUPPEN ERZEUGEN: Definition der acht verschiedenen Elementgruppen für die Modellierung der Pfanne von den Wänden bis zu den Zangen.
XY-ANSICHT VON UNTEN: Darstellung der geometrischen Konfiguration und der Abmessungen der Krempe am Pfannenboden.
MATERIALDATEN: Auflistung der spezifischen Materialkennwerte wie E-Modul und Poissonzahl für die einzelnen Elementgruppen.
RANDBEDINGUNGEN: Beschreibung der Lagerung der Stahlgießpfanne in Z-Richtung sowie der Sperrung der Bodenmittelpunkte.
BELASTUNGEN: Herleitung der drei Lastfälle basierend auf Roheisengewicht, Auskleidung und Gravitationskraft.
FORMELN: Zusammenstellung der mathematischen Grundlagen für die Berechnung von Membran-, Biege- und überlagerten Spannungen.
GRAFISCHE DARSTELLUNG DER SPANNUNGEN: Visualisierung der Ergebnisse für die einzelnen Komponenten wie Mantel, Boden und Verstärkungen.
MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN DER WERKSTOFFE: Tabellarische Aufbereitung der Mindestwerte der 0,2%-Dehngrenze gemäß DIN 17 102.
SPANNUNGSAUSWERTUNG: Detaillierte rechnerische Überprüfung der Spannungen im Vergleich zur Materialfestigkeit für die verschiedenen Bauteile.
Schlüsselwörter
Stahlgießpfanne, FEM-Analyse, MEANS V8, Spannungsverlauf, Membranspannung, Biegespannung, Schubspannung, Lastfall, WStE 460, Zangenlagerung, Fußlagerung, Dehngrenze, Bauteilsteifigkeit, Statische Berechnung, Betriebstemperatur
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der FEM-basierten Spannungsanalyse einer 140-Tonnen-Stahlgießpfanne zur Überprüfung der strukturellen Integrität unter Überlastbedingungen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zentrale Themen sind die mathematische Modellierung von Lastfällen, die numerische Berechnung von Spannungsspitzen in verschiedenen Bauteilgruppen und die werkstofftechnische Auslegung bei hohen Temperaturen.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das primäre Ziel ist es, den Spannungsverlauf in der Gießpfanne bei einer Belastung über dem offiziellen Auslegungsgewicht von 144 Tonnen zu bestimmen und die Sicherheit des Systems zu bewerten.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Zur Anwendung kommt die Finite-Elemente-Methode (FEM) mit dem Programmsystem MEANS V8, um Biege-, Membran- und Schubspannungen in den verschiedenen strukturellen Elementen zu ermitteln.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Im Hauptteil werden die Erzeugung von Elementgruppen, die Definition der Randbedingungen und Lastfälle, die grafische Darstellung der Spannungszustände sowie die abschließende rechnerische Auswertung der Materialfestigkeiten dokumentiert.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit wird durch Begriffe wie Stahlgießpfanne, FEM-Analyse, MEANS V8, Biegespannungen, WStE 460 und Lastfallanalyse charakterisiert.
Welche Rolle spielt die Temperatur bei der Auslegung?
Die Betriebstemperatur von 280°C bis 370°C reduziert das E-Modul und die zulässige Dehngrenze der verwendeten Stähle, was bei der Sicherheitsbewertung (S) rechnerisch berücksichtigt wird.
Wie unterscheidet sich die Belastung in der Zangen- und Fußlagerung?
Die Lagerungsart beeinflusst massiv, wie die Last in den Boden eingeleitet wird; die Arbeit vergleicht hierbei die resultierenden Spannungsspitzen, um eine Knickgefahr zu identifizieren.
Was ist das Fazit für den Boden mit Zangenlagerung?
Bei der Zangenlagerung wurde aufgrund hoher lokaler Biegespannungen eine überlagerte Membran- und Biegespannungsberechnung durchgeführt, die einen ausreichenden Sicherheitsfaktor (S = 1,54) ergab.
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- Roland Schmidt (Author), 2016, FEM-Berechnung mit einem Schalenmodell und Spannungsnachweise für eine Stahlgießpfanne, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/343898
