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  Beulen eines Ölbehälters unter äußerem Überdruck

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Autor Thema:   Beulen eines Ölbehälters unter äußerem Überdruck (448 mal gelesen)
FabianBecker
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Bilder.pdf

 
Hallo zusammen,

ich beschäftige mich gerade mit folgender Fragestellung: in einem Ölbehälter tritt Unterdruck auf. Hält er einem Unterdruck von 10,5 mbar stand? Bei welchem Unterdruck versagt der Behälter?

Wegen der Dünnwandigkeit des Behälters gehe ich davon aus, dass dieser durch Beulen versagen wird. Außerdem ist davon auszugehen, dass er einem absoluten Vakuum nicht standhalten wird, sondern wesentlich früher versagt. Bei meinem Vorgehen habe ich mich an folgendem Tutorial von Christof Gebhardt orientiert: https://www.youtube.com/watch?v=s8C69M3qmjE

Die Rechnungen laufen ohne Probleme durch. Jedoch weiß ich nicht so recht, wie ich die Ergebnisse interpretieren soll.

Ich beginne mal von vorne. Bilder befinden sich in der pfd im Anhang.
Der Behälter hat ein Nennvolumen von 200 Liter und besteht aus S235JR. Nur der Reinigungsdeckel besteht aus AlCuMg1. Alle Kontakte sind bonded.

Da ein Unterdruck im Behälter ja einfach nur bedeutet, dass der äußere Druck um diesen Betrag größer ist, bringe ich auf alle Außenflächen einen Druck von 10,5 mbar auf. Einer der beiden Füße bekommt einen Fixed Support und der andere einen Frictionless Support. Alternativ könnte man auch beide Füße fest befestigen. Sollte keinen großen Unterschied machen.

Die statische Strukturanalyse zeigt, dass die maximale Verformung am Unterboden stattfindet. Sie beträgt etwa 0,4 mm. Aufbauend darauf habe ich eine Eigenwertbeulanalyse durchgeführt. Der kleinste Lastmultiplikator beträgt 417 und bezieht sich auf das Beulen des Unterbodens. Es ergibt sich also, dass der Unterboden zuerst anfängt zu beulen. Multipliziert man 10,5 mbar mit diesem Faktor, ergibt sich ein Druck von 4,368 bar. Demnach müsste der Behälter sogar locker einem absoluten Vakuum standhalten. Das zweifle ich natürlich an. Wie aber auch schon im Tutorial gesagt, liefert diese Art Analyse meistens zu optimistische Ergebnisse.

Daher habe ich anschließend eine nichtlineare Analyse durchgeführt. Ich lasse mir, wie im Tutorial, Zwischenschritte anzeigen. Large Deflection schalte ich ein. Als Druck wähle ich nun den Ausgangsdruck mal Lastmultiplikator. Das ergibt einen Wert von 4,38 bar. Anders als im Tutorial kann ich bei mir keine Reaktionskraft auswerten. Daher verwende ich die Deformation des Bodenblechs in positiver Y-Richtung als Beobachtungswert. Ich erwarte, dass sich der Zeitpunkt des Beulens durch eine Unregelmäßigkeit in der Kurve zeigt.

Schaut man sich die Ergebnisse an, ergibt sich aber eine sehr gleichmäßig verlaufende Kurve. Die Auswertung der Spannung zeigt aber, dass bei diesen 4 bar die Streckgrenze schon lange überschritten ist.

Ich habe die nichtlineare Simulation im Anschluss auch noch mit geringerem Druck laufen lassen. Die Gestalt der Kurve für die directional Deformation ändert sich nicht. Es ist also ein gleichmäßiger Anstieg der Verformung zu erkennen.

Wenn ich davon ausgehe, dass Ansys richtig rechnet, was der Fall sein sollte und auch meine Herangehensweise korrekt ist, dann lässt das für mich nur folgenden Schluss zu: Bei sinkendem Druck im Innern des Tanks versagt der Behälter irgendwann durch plastische Verformung, weil an bestimmten Stellen das Material seine Streckgrenze überschreitet. Spontanes Beulen des Behälters ist nicht zu erwarten.

Kann das sein? Oder habe ich irgendetwas vergessen oder nicht beachtet?

[Diese Nachricht wurde von FabianBecker am 27. Feb. 2020 editiert.]

[Diese Nachricht wurde von FabianBecker am 27. Feb. 2020 editiert.]

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Duke711
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Reaktionkräfte kann man nur bei einer Verschiebungssteuerung auswerten, anders macht es auch keinen Sinn. Bei Kraftsteuerung ist die Reaktionskraft die Randbedingung, je doch kann man für alle anderen Elemente oder Rbs die Knotenkraft auswerten.
Die Frage die mich allerdings stellt ist, wie will man bei einer nichtlinearen Beuelsimulation eine Kraft bzw. Druck auftragen? Denn eine nichtlineare Beuelsimulation kann im statischen Löser nur Verschiebungsgesteuert durchgeführt werden, da es bei Beuelversagen für den statischen Löser das System unterbestimmt ist und somit die Lösung nicht mehr konvergiert. Aus diesem Grund wird eine Verschiebungssteuerung gewählt und dabei der Weg ausreichen groß definiert, so das ein Beuelversgen auftritt. Der statische Löser konvergiert dann.
Und man sollte Imperfektionen nicht vernachlässigen.

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Duke711
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erstellt am: 27. Feb. 2020 16:43    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für FabianBecker 10 Unities + Antwort hilfreich

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FabianBecker
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Was sagt das denn aber nun für meine Thematik aus? Es ist ja offensichtlich, dass es in diesem Fall schwierig, wenn nicht gar unmöglich ist, eine Verschiebung vorzugeben, da Druck ja nunmal von allen Seiten wirkt.

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Jens.Friedrich
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Hey Fabian,

Solid?!?! Wirklich?!? Für eine dünnwandige Blechkonstruktion? Sowas ist doch ganz schnell mit einem Schalenmodell gelößt.
Schau dir doch einfach mal die Spannungsverteilung an und du siehst dass es so nicht passt.
Also entweder mittelflächen ableiten oder vereinfacht die Außenflächen nehmen und dann in Mechanical entsprechend aufdicken (Top/Bottom)
Dann nennlast drauf und Eigenwertbeulen.
Beulformen übertragen per upgeom
Dann kannst im letzten Schritt ein nichtlineares Beulmodell aufbauen. Hierzu brauchts das elasto-plastische Werkstoffverhalten + große Verformungen. Nun kannst du den Druck rampen bis deine Struktur beult.
Das nachbeulverhalten kannst noch mit stabilize rechnen.

und fertig

------------------
Gruß
Jens

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FabianBecker
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Hallo Jens,

danke für deine Antwort. Ich habe allerdings noch ein paar Fragen.
Wie kann ich den Solid mit Spaceclaim in ein Schalenmodell umwandeln? Google hat mir da nicht wirklich weiter geholfen. Ist das der Befehl "Shell"? Ich kann dort eine Fläche anwählen und dann eine Dicke festlegen. Allerdings bleibt der Solid irgendwie trotzdem erhalten. Wenn ich den dann lösche, ist aber auch die Fläche wieder weg.


Was ist upgeom?

Wo stelle ich elasto-plastisches Werkstoffverhalten ein?

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Duke711
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Zitat:
Original erstellt von FabianBecker:
Was sagt das denn aber nun für meine Thematik aus? Es ist ja offensichtlich, dass es in diesem Fall schwierig, wenn nicht gar unmöglich ist, eine Verschiebung vorzugeben, da Druck ja nunmal von allen Seiten wirkt.

Finde ich leider nicht offensichtlich. Denn bei einer Biegung ist die Verschiebung nichts anderes als eine Funktion vom Abstand zum Mittelpunkt.
Über die Workbench geht das sogar sehr einfach, in dem man die Verschiebungen exportiert und dann vom Import als Randbedingung auf die Knoten mappt.
Karftgesteuert wird man mit dem statischen Solver jeden Falls nicht genau den Beuelpunkt finden. Entweder ist die Last zu hoch und das System unterbestimmt. Oder die Last ist zu gering. Man müsste sich also für einen genauen Wert herantasten. Das ist nicht nur sehr zeitraubend, sondern auch sehr ineffizient. Da jedes mal der Rechenprozess durchlaufen werden muss bis man dann irgendwann den Beuelpunkt findet.
Da wünsche ich bei größeren Modellen viel Spaß, der Stromlieferant wird sich freuen.

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smittytomcat
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erstellt am: 29. Feb. 2020 13:33    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für FabianBecker 10 Unities + Antwort hilfreich

Uihh, ich kann Jens nur Recht geben - Solids für ne Beulrechnung? Das geht nicht gut, da u.U. nur ein Element über die Blechdicke erzeugt wird. Zum anderen kann ich das Netz nicht beurteilen. Ein Netz für nen statische Analyse reicht meistens nicht aus für ne Beuleigenwertberechnung, da evtl. mögliche Beulformen "übersprungen" bzw. ausgefiltert werden .
Und die Verformungen passen irgendwie nicht soweit man das auf den Plots sehen kann.

Und nur mal so : warum ein Deckel aus Alu - man fängt sich nur Probleme ein mit der galvanischen Trennung zum Stahl. Da wäre ein Edelstahl 1.4401 auch .1.4571 besser (beide haben auch in etwa die gleiche Festigkeit wie der Stahl S235)

------------------
Gruß
Gerd
Hunde haben ein Herrchen oder Frauchen - Katzen haben Personal.

[Diese Nachricht wurde von smittytomcat am 01. Mrz. 2020 editiert.]

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Jens.Friedrich
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ANSYS 19.2

erstellt am: 02. Mrz. 2020 06:37    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für FabianBecker 10 Unities + Antwort hilfreich

Hallo Fabian,

Ich empfehle dir zuerst die Grundlagen zu erarbeiten an denen es augenscheinlich fehlt.
Meines Erachtens sind dafür "Praxisbuch FEM mit ANSYS Workbench" sowie der Klassiker "FEM für Praktiker" sehr gut geeignet.
Im erstgenannten Buch findest du das Beispiel ein Beulananlyse einer Coladose.

Zu deinen Fragen:
In SpaceClaim kannst du ganz einfach alle Außen oder innenflächen anwählen und dann per CopyPaste das Flächenmodell ableiten. Das solid dann einfach für die Physik underdrücken. Etwas sauberer wäre mit Mittelflächen, was in SC auch gut und schnell geht.
Siehe auch die Tutorials hier:
http://www.spaceclaim.com/de/Support/Tutorials/Essentials.aspx

Shell ist ein Schalenmodell. Bitte hierzu die Bücher lesen
Upgeom ist ein APDL Befehl. Eine Google Anfrage gibt bei mir sofort einen guten Treffer:

https://www.youtube.com/watch?v=cE-th6oiMv8

Geht jetzt sogar gänzlich ohne APDL
https://www.youtube.com/watch?v=s8C69M3qmjE

Also erarbeite dir bitte die Grundlagen und dann wird das kein Problem mehr darstellen.

------------------
Gruß
Jens

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FabianBecker
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erstellt am: 02. Mrz. 2020 07:43    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities

Hallo zusammen,

danke für eure zahlreichen Antworten.

Zum Thema Aludeckel: Der Behälter ist keine Konstruktion von mir, sondern ist ein Katalogteil und wird von uns zugekauft. Im realen Anwendungsfall liegt zwischen Deckel und Tank eine Dichtung aus NBR.

Zu meinen Kenntnissen:
Mir war zu Beginn dieser Sache natürlich nicht bewusst, dass mir zur Bearbeitung dieses einige Grundkenntnisse fehlen. Ich beschäfte mich zum ersten Mal überhaupt mit Beulen. Normalerweise habe ich es mit dickwandigeren Bauteilen zu tun.
Das Buch "Praxisbuch FEM mit ANSYS Workbench" haben wir in der Firma und ich habe es auch teilweise gelesen. Auf das Beispiel mit der Coladose habe ich mich übrigens im ersten Post bezogen.

Mithilfe der Tipps werde ich versuchen, das Problem zu lösen.

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