Berechnungsmethoden

Zur Berechnung und Bewertung technischer Komponenten im Apparate- und Anlagenbau stehen grundsätzlich zwei Herangehensweisen zur Verfügung:
analytische Methoden und numerische Methoden. Beide Ansätze werden genutzt, um Apparate, Behälter und Rohrleitungen zu planen, zu konstruieren und sicher zu bewerten. So wird sichergestellt, dass sie sicher und betriebsgerecht ausgelegt sind. Während analytische Methoden auf festgelegten, oft standardisierten Berechnungsansätzen beruhen, bieten numerische Methoden die Möglichkeit, komplexere Strukturen und Bedingungen zu modellieren und zu analysieren. Im Folgenden werden diese Methoden näher beschrieben.

Analytische Methoden

Analytische Methoden im Apparate- und Anlagenbau basieren auf mathematischen Berechnungsansätzen, die beispielweise in folgenden Regelwerken und Normen festgelegt sind:

AD 2000-Regelwerk: Das AD 2000-Regelwerk ist ein deutsches Regelwerk, das Anforderungen an die Konstruktion, Herstellung, Prüfung und Abnahme von Druckbehältern und Rohrleitungen festlegt, die in Deutschland betrieben werden. Es ist ein wichtiges Regelwerk für die Sicherheit im Bereich des Druckgerätebaus und gilt als anerkannte Regel der Technik.
EN 13445: Die EN 13445 – Unbefeuerte Druckbehälter ist eine europäische harmonisierte Druckbehälternorm, die Regeln für die Konstruktion, Herstellung und Inspektion von Druckbehältern festlegt. Sie wurde speziell für unbefeuerte Druckbehälter entwickelt, die ohne eigene Heizquelle arbeiten, und stellt sicher, dass diese Behälter den hohen Sicherheitsstandards der EU entsprechen.
ASME Code: Der amerikanische ASME Code ist ein Standard, der die Konstruktion und den Bau von Kesseln und Druckbehältern regelt. Sie ist weltweit der am häufigsten genutzte Standard für die Konstruktion und Fertigung von Druckgeräten und wird in über 100 Ländern anerkannt.
EN 13480: Die EN 13480 ist eine europäische Norm, die sich speziell mit den Anforderungen an die Konstruktion, Herstellung und Prüfung von metallischen industriellen Rohrleitungen befasst. Sie stellt die stellt die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Rohrleitungssystemen in industriellen Anwendungen fest.

Im Ordner O:\Vorlagen\11_KONSTRUKTEUR APPARATE UND ANLAGENBAU\000064_Grundlagen Apparate und Anlagenbau befinden sich (veraltete) Regelwerke sowie eine Excel-Tabelle, die eine Übersicht der Berechnungsmodule enthält. In der Tabelle ist ersichtlich, welches Regelwerk die jeweilige Berechnung abdeckt. Zusätzlich gibt es eine weitere Tabelle, die die Berechnungsmodule aus DIMy 6 auflistet und angibt, aus welchen Regelwerken diese stammen, einschließlich der jeweiligen Abschnitte oder Kapitel. Die relevanten Regelwerke bzw. Kapitel der Regelwerke sollten vor der Durchführung einer Berechnung, auch wenn diese mit einem Software-Tool erfolgt, sorgfältig eingearbeitet werden.

Berechnungen auf Grundlage dieser Regelwerke ermöglichen die einfache und schnelle Auslegung und Sicherheitsbewertung von Bauteilen unter standardisierten Lastfällen, die einer gleichmäßigen Druck- oder Temperaturbelastung ausgesetzt sind. Zur Unterstützung dieser Berechnungen stehen spezialisierte Software-Tools zur Verfügung, die auf diesen Regelwerken beruhen. MDESIGN und DIMy 6 sind beispielsweise zwei gängige Programme, die dabei helfen, Berechnungen nach Normen und Regelwerken automatisiert durchzuführen.

MDESIGN:

MDESIGN ist eine Softwarelösung, die Werkzeuge für die Auslegung, Berechnung, Optimierung und Dokumentation von Maschinenelementen und Baugruppen bietet. Die Software deckt den gesamten Entwicklungsprozess von der Konzeption bis zur Optimierung ab. Durch ihre normgerechten Berechnungen und die Integration in bestehende Arbeitsabläufe unterstützt MDESIGN die Produktivitätssteigerung, reduziert Fehler und sorgt für eine höhere Sicherheit in der Konstruktion.

„MDESIGN espresso“ ist ein spezialisiertes Modul innerhalb der MDESIGN-Software, das besonders auf die Berechnung und Auslegung von druckbeanspruchten Bauteilen wie Druckbehältern und Flanschen ausgelegt ist. Es arbeitet nach anerkannten Regelwerken, wie AD 2000 und EN 13445, und bietet mit einem 3D-Konfigurator eine anschauliche Darstellung relevanter Konstruktionsparameter. In diesem Modul lassen sich unter anderem auch Verformung, Spannung und Auslastung simulieren und die Modelle direkt als STEP-Dateien in CAD-Systeme exportieren.

DIMy 6:

DIMy 6 ist eine umfassende, grafikunterstützte Software von TÜV NORD zur Dimensionierung und Berechnung drucktragender Geräte und Komponenten, die vor allem in der Prozessindustrie, im Anlagenbau und in der Konstruktion genutzt wird. Sie unterstützt bei der Entwicklung, Berechnung und Optimierung sicherheitsrelevanter Komponenten wie Druckbehälter, Rohrleitungen und Tragkonstruktionen, die hohen Belastungen durch Druck und Temperatur ausgesetzt sind. Die Software gewährleistet, dass diese Komponenten den aktuellen europäischen und internationalen Sicherheitsstandards entsprechen und gleichzeitig wirtschaftlich optimiert sind. DIMy 6 ist mit einer integrierten Datenbank ausgestattet und bietet Materialkennwerte von über 1.500 Werkstoffen. Die Software berücksichtigt eine Vielzahl an Normen und Regelwerken, darunter AD 2000-Merkblätter, EN 13445 und ASME VIII-1 für unbefeuerte Druckbehälter und EN 13480 für Rohrleitungen. Die Software ermöglicht Festigkeitsnachweise und berechnet die Belastungsfähigkeit der Bauteile unter verschiedenen Bedingungen wie Innendruck, Zusatzlasten und Temperatur. Sie unterstützt darüber hinaus Lebensdaueranalysen, um die Betriebsdauer und Wartungsbedarfe der Bauteile besser zu planen. DIMy 6 ist modular aufgebaut und kann flexibel an spezifische Projektanforderungen angepasst werden. Nutzer können Module hinzufügen oder entfernen, um Funktionen wie zusätzliche Lasten, Schwell- und Wechselbelastungen oder die Strukturspannungsermittlung für bestimmte Behälterkomponenten zu nutzen.

MDESIGN und DIMy 6 greifen auf die hinterlegten Normen und Berechnungsvorschriften zu und bieten vordefinierte Berechnungsmodelle, die den Anforderungen der Regelwerke entsprechen. Der Einsatz solcher Tools vereinfacht die Berechnungen erheblich und reduziert die Fehleranfälligkeit, da die komplexen Formeln und Vorgaben der Normen bereits im System hinterlegt und getestet sind. Solche Software-Tools sind insbesondere bei standardisierten Komponenten wie Druckbehältern und Rohrleitungen hilfreich und eignen sich gut für Anwendungen, bei denen die Geometrie und Belastungen klar definiert und einfach zu modellieren sind.

Neben diesen spezialisierten Software-Tools verwenden Unternehmen häufig auch firmenspezifische Excel-Tools, die auf ihre internen Anforderungen zugeschnitten sind. Diese selbst entwickelten Tools basieren in der Regel auf den gleichen Regelwerken und Normen wie die kommerziellen Programme, können jedoch individuell angepasst werden, um spezifische betriebliche Anforderungen oder besondere Anwendungsfälle abzubilden. Folgende Abbildung zeigt ein eigenes Excel-Tool der Firma Oehmichen & Bürgers zur Berechnung der zulässigen Zugfestigkeit, der Tangential– und Axialspannung sowie der minimalen Wanddicke von Zylinderschalen unter innerem Überdruck.

Die Berechnungen basieren auf den im Excel-Tool hinterlegten Werkstoffdaten. Hierzu sind die Eingabefelder mit folgenden Informationen auszufüllen: Werkstoff, Druck, mittlerer Durchmesser, Wanddicke und Sicherheitswert.

Solche Tools bieten eine flexible, kostengünstige Lösung und erlauben es, Berechnungsprozesse genau an die firmenspezifischen Standards und häufig auftretenden Belastungsfälle anzupassen. Eventuell erfordern solche Tools eine regelmäßige Wartung und Aktualisierung, um sicherzustellen, dass sie den aktuellen Normen und Sicherheitsanforderungen entsprechen. Ein großer Vorteil liegt in der Anpassungsfähigkeit dieser Tools.

Numerische Methoden

Numerische Methoden, wie die Finite-Elemente-Methode (FEM), bieten eine detailliertere und flexiblere Herangehensweise für die Berechnung von Belastungen und Spannungen in komplexen Strukturen. Im Unterschied zu analytischen Methoden sind numerische Methoden in der Lage, Bauteile mit komplexer Geometrie und vielfältigen Belastungsszenarien zu analysieren. Die Finite-Elemente-Methode unterteilt dabei das Bauteil in kleine Elemente und berechnet die Belastung und Verformung in jedem einzelnen Element. Durch diese Methode lassen sich spezifische Details und örtliche Spannungen abbilden, die bei analytischen Berechnungen nicht erfassbar wären.

Numerische Methoden kommen häufig dann zum Einsatz, wenn analytische Ansätze die Komplexität der Struktur oder Belastung nicht ausreichend abdecken können oder wenn detaillierte Erkenntnisse über die Verformung und Spannungsverteilung benötigt werden. Allerdings sind numerische Methoden rechenintensiv und erfordern eine genauere Modellierung und Eingabe von Materialeigenschaften und Randbedingungen. Sie ermöglichen jedoch eine präzisere und umfassendere Analyse, was vor allem in der Entwicklung und Optimierung anspruchsvoller technischer Anlagenkomponenten von Vorteil ist. Zu den gängigen Software-Tools gehören Ansys, Femap und NozzlePRO. Im Folgenden werden diese Software-Tools näher beschrieben.

Ansys:

Ansys ist eine der bekanntesten FEM-Software, die unter anderem für die Analyse und Optimierung von Modellen in Bereichen wie Maschinenbau, Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, Energie sowie Anlagenbau eingesetzt wird. Die Software wird verwendet, um das Verhalten von Modellen unter verschiedenen Bedingungen zu simulieren. Dazu gehören Belastungen durch Druck, Temperatur, Materialermüdung oder mechanische Beanspruchungen. Mit Ansys lassen sich lineare und nichtlineare Analysen durchführen, etwa um zu prüfen, z.B. ob ein Druckbehälter bei hohen Temperaturen oder Drücken verformt wird oder ob Schwachstellen in der Konstruktion vorliegen. Ein weiterer Vorteil von Ansys ist die Möglichkeit, Materialmodelle und -eigenschaften präzise zu berücksichtigen. Damit können realistische Szenarien nachgestellt und Lösungen für Herausforderungen wie thermische Dehnung, Dichtungsprobleme oder Schweißnahtspannungen gefunden werden. Außerdem ermöglicht Ansys die Analyse von kombinierten Belastungsfällen (z. B. Druck und Temperatur gleichzeitig), was gerade bei der Konstruktion von Druckbehältern und Wärmeübertragungsgeräten entscheidend ist. Durch die Integration mit CAD-Software und die Unterstützung von Normen (wie ASME oder EN) wird Ansys zu einem nützlichen Werkzeug für die Entwicklung und Nachweisführung von Apparaten in der Prozess-, Chemie- und Energieindustrie.

Femap:

Femap ist eine FEM-Software von der Firma Siemens zur Simulation und Analyse technischer Systeme. Mit Femap können digitale Modelle von Produkten oder Strukturen erstellt werden, um sie auf Stabilität, Festigkeit und thermische Eigenschaften zu testen. Dabei können sowohl einfache Konstruktionen wie Balken und Platten als auch komplexe 3D-Modelle simuliert werden. Die Stärke der Software liegt in ihrer Vielseitigkeit und Benutzerfreundlichkeit. Sie unterstützt die Modellierung von Strukturen in 1D, 2D und 3D sowie die Vernetzung mit verschiedenen Elementtypen wie Tetraedern oder Hexaedern. Femap bietet leistungsstarke Werkzeuge zur Visualisierung der Ergebnisse, was es einfacher macht, Schwachstellen oder Verbesserungsmöglichkeiten zu erkennen. Die Software ermöglicht außerdem die Integration mit gängigen CAD-Systemen, sodass der Übergang von der Konstruktion zur Simulation schnell und reibungslos funktioniert.

NozzlePRO:

NozzlePRO ist eine spezialisierte Softwarelösung, die es Benutzern ermöglicht, effizient und ohne tiefgehendes Fachwissen eine Finite-Elemente-Analyse (FEA) von Druckbehälter- und Rohrleitungskomponenten durchzuführen. Die Software bietet eine benutzerfreundliche Umgebung, die speziell für die Konstruktion von Druckgeräten entwickelt wurde. Sie automatisiert die FEA-Validierung und erstellt ASME-Code-konforme Berichte, wodurch sie eine präzise und zeitsparende Design-by-Analysis-Lösung darstellt. NozzlePRO unterstützt die Bewertung und Analyse von Komponenten wie Düsen am Zylinder, Düsen am Kopf, Sätteln, Rohrschuhen und Clips an verschiedenen Kopftypen, darunter sphärische, elliptische, zylindrische und konische Köpfe, Schweißnahtmodelle und Wanddickenkonturen. NozzlePRO zeichnet sich durch seine umfassende Unterstützung der ASME-Codes aus.

Zusammenfassend ergänzen sich analytische und numerische Methoden, indem sie sowohl einfache, bewährte Berechnungen als auch detaillierte Analysen für komplexe Komponenten ermöglichen.