Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul FEM führt eine Finite-Elemente-Berechnung für lokal beanspruchte Druckbehälterbereiche durch – typischerweise die Stutzenanbindung am Mantel unter Innendruck und äußeren Stutzenlasten. Aus den Eingaben wird automatisch ein FE-Modell erstellt, berechnet und die Ausnutzung als Ergebnis ausgewiesen.
Gebraucht wird ein solcher Nachweis im Apparatebau immer dann, wenn Rohrleitungskräfte und -momente auf Stutzen wirken, die mit den Einflusszahlen-Verfahren (z. B. WRC 297/537 oder EN 13445-3 Abschnitt 16.5) nicht mehr abgedeckt sind, oder wenn der Anwender eine genauere Spannungsverteilung an der Durchdringung benötigt. Optionen wie die Berücksichtigung der Längsspannung in Mantel und Stutzen, ein steifer Stutzenrand (Flansch) und der Ort des Lastangriffs erlauben eine realitätsnahe Modellierung der Anschlusssituation.
Die Spannungsbewertung erfolgt wahlweise nach einstellbaren Konzepten; empfohlen ist die Elementauswertung nach ASME VIII Division 2, also die Kategorisierung und Linearisierung der Spannungen nach dem Konzept „Design by Analysis“. Damit lässt sich eine Stutzenberechnung mit FEM regelwerkskonform dokumentieren.
So läuft die Berechnung ab
- Modell definieren: Geometrie von Grundkörper und Stutzen wird übernommen; über die Schalter „Längsspannung im Mantel berücksichtigt“, „Längsspannung im Stutzen berücksichtigt“ und „steifer Stutzenrand (Flansch)“ wird das mechanische Ersatzmodell festgelegt.
- Lasten aufbringen: Innendruck sowie äußere Kräfte und Momente werden angesetzt; der Parameter „Lastangriff“ legt fest, an welcher Stelle des Stutzens die äußeren Lasten eingeleitet werden – das beeinflusst die Biegemomente an der Durchdringung erheblich.
- FE-Modell erstellen und berechnen: Das Modul erzeugt das Netz („Modellerstellung“) und löst das Modell („Berechnung“). Über die Ablaufsteuerung kann die Berechnung angehalten, nur das Modell erstellt oder direkt durchgerechnet werden.
- Spannungen bewerten: Die Spannungsauswertung erfolgt nach dem gewählten Bewertungskonzept; bei aktivierter Elementauswertung nach ASME VIII-2 werden die Spannungen in primäre Membran-, Biege- und Sekundäranteile kategorisiert und den zulässigen Werten gegenübergestellt.
- Ausnutzung ausweisen: Als zusammenfassendes Ergebnis wird die Ausnutzung ausgegeben – das Verhältnis der bewerteten Spannung zum zulässigen Wert. Werte bis 100 % gelten als nachgewiesen.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Berechnungstemperatur | Temp | °C |
| Werkstoff | Grundkörper | – |
| Werkstoff | Stutzen | – |
| Werkstoff | Verstärkung | – |
| äußerer Stutzendurchmesser | d1 | mm |
| Äußerer Durchmesser zyl. Bord | Da | mm |
| Stutzenwanddicke | s1 | mm |
| Grundkörperwanddicke | sa | mm |
| Stutzenlänge | h | mm |
| Bordhöhe | l | mm |
| Durchmesser Verstärkungsscheibe | dv | mm |
| Dicke der Verstärkungsscheibe | sv | mm |
| Durchmesser der Kalotte | Dk | mm |
| Stutzenoffset in Y | x1 | mm |
| Kippwinkel um Z | x2 | ° |
| Kipprichtung in der XY-Ebene | x3 | ° |
| Abstand der Berechnungskreise | Δ | mm |
| Anzahl Berechnungskreise um den Stutzen | n1 | - |
| Anzahl Knoten auf den Kreisen | n2 | - |
| Eingepaßter Stutzen J/N | Stutzen | mm |
| Spannungsvergleichswert | Sm | N/mm² |
| Spannungsvergleichswert | Sm | N/mm² |
| Spannungsvergleichswert | Sm | N/mm² |
| E-Modul | E | N/mm² |
Berechnungsergebnisse
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Ausnutzung | U | – |
| Anzeige des Ergebnisses | Ergebnisses | – |
| maximale absolute Stutzenbewegung in X Richtung | X = Y = Z = | mm |
| maximale absolute Stutzenbewegung in Y Richtung | X = Y = Z = | mm |
| maximale absolute Stutzenbewegung in Z Richtung | X = Y = Z = | mm |
| maximale Stutzendrehung um X Achse | X = Y = Z = | ° |
| maximale Stutzendrehung um Y Achse | X = Y = Z = | ° |
| maximale Stutzendrehung um Z Achse | X = Y = Z = | ° |
Berechnungsoptionen
Sprache
Deutsch · Englisch
Äußerer Stutzendurchmesser
Ausführlich · Kurz
Spannungsbewertung nach
65 · 68 · 69
Modellerstellung
Automatisch · Immer · Manuell
Berechnung
Automatisch · Immer · Manuell
Häufige Fragen
Warum wird die Elementauswertung nach ASME VIII-2 empfohlen?
ASME VIII Division 2 Part 5 definiert ein etabliertes, klar dokumentiertes Verfahren zur Bewertung von FE-Spannungen (Spannungskategorisierung bzw. elastische Spannungsanalyse mit Linearisierung). Damit werden örtliche Spitzenspannungen nicht fälschlich wie primäre Spannungen behandelt, und der Nachweis ist gegenüber Prüfstellen nachvollziehbar.
Was bedeutet die Option „steifer Stutzenrand (Flansch)“?
Ein am Stutzenende angeschweißter Flansch versteift den Stutzenquerschnitt gegen Ovalisierung. Wird die Option aktiviert, bleibt der Stutzenrand im Modell eben und kreisrund, was die lokale Nachgiebigkeit der Durchdringung und damit die berechneten Spannungen verändert. Ohne Flansch in Stutzennähe sollte die Option deaktiviert bleiben.
Welche Rolle spielt der Lastangriffspunkt der äußeren Lasten?
Kräfte quer zur Stutzenachse erzeugen an der Durchdringung ein Biegemoment, das proportional zum Hebelarm zwischen Lastangriff und Mantel ist. Wird der Lastangriff am Stutzenende statt an der Durchdringung angesetzt, steigen die Momente entsprechend – ein häufiger Fehler ist die Übernahme von Rohrleitungslasten ohne Beachtung des Bezugspunkts.
Ersetzt das Modul die Ausschnittsverstärkung nach AD 2000 B 9 oder EN 13445?
Nein, es ergänzt sie. Die Flächenvergleichsverfahren decken den Drucknachweis der Ausschnitte ab; die FEM-Berechnung ist gedacht für äußere Stutzenlasten und für Fälle außerhalb der Geltungsgrenzen der Formelverfahren. Für Standardfälle bleibt die Formelauslegung der schnellere und ausreichende Weg.