Maradandó élettartam – vizsgálat lépései

1. Vizsgálat célja (Goal of Analysis): meghatározandó az adott berendezés élettartam vizsgálatának célja, mi a határideje, továbbá definiálandó az alkalmazott módszer és a vizsgálat oka:

2. Berendezés terhelése (Loads): a vizsgálni kívánt berendezés terhelésének jellege meghatározza a kívánt vizsgálat típusát (rugalmasságtani, hőtechnikai, áramlástani, kapcsolt), szabványban definiált anyagjellemzőinek, illetve ennek hiányában szabványban előírt mérés által meghatározott - különböző környezeti, hőmérsékleti és terhelési szinten mutatott - tulajdonságainak ismerete alapvető fontosságú:

3. CAD/CAE Modell (CAD/CAE Models) : a vizsgálni kívánt berendezés geometriai (CAD) és analízis (CAE) modelljeinek meghatározása, a modellezni kívánt egységek definiálása.

4. Alkalmazni kívánt szabvány/okAlkalmazni kívánt szabvány/ok (Standards to apply) : a vizsgálatok során minden alkalommal a kérdéses szakterület irányadó szabványát szükséges követni. Ennek hiányában, vagy ezzel párhuzamosan az adott vállalat esetén esetlegesen rendelkezésre álló un. „házi szabványok” az iránymutatók:

6. Üzemeltetési adatok (Operational data) : az üzemeltetési szakemberektől származó adatok (hőmérséklet és nyomás, működési környezet, valamint leállás/indulás ciklusok, stb) ahhoz szükségesek, hogy érthetőek és felhasználhatók legyenek az adott berendezés üzemelési paraméterei a maradó élettartam analízis során.

CAD Modell (CAD Modell) : a vizsgálni kívánt berendezés 3D-s számítógépes geometriai modelljeinek (CAD) felépítése:

• 3D-s testmodell a berendezés minden elemére:
  • a vizsgálni kívánt berendezés + kapcsolódó egységek felmérése
  • a berendezés minden elemének modellezése (köpeny + belső egységek + közeg)
  • komplett geometriai modell (CAD) (fémes elemek + csavarok + tömítések + közegek + egyéb)
• Csavarkötések modellezése
  • csavar 3D-s modell
  • szerelési terhelés
  • tömítés modellezése
• Hegesztési varratok modellezése:
  • alapfém (BM)
  • hegvarrat (WM)
  • hőhatás övezet (HAZ)

CAE Modell (CAE Model): : a vizsgálni kívánt berendezés 3D-s számítógépes végeselem modelljeinek (CAE) elkészítése. Bármilyen szilárdsági ellenőrzés, illetve maradó élettartam számítás végrehajtásához a berendezés pontos feszültség- és alakváltozás-eloszlásának meghatározása szükséges:

• 3D-s végeselemek (SOLID) a berendezés minden elemére:
  • a végeselem modell a berendezés minden lényeges geometriai elemét, (fémes egységek + közegek + tömítések + stb) pontosan és részletesen tartalmazza
  • a kellő pontosság miatt a modell un. SOLID elemekből épül fel (lineáris HEXA, PENTA elemek)
  • minden, a hegesztéstől eltérő oldható kötés pontosan kerül modellezésre - csavarkötések
  • a szerelt részek között un. kontakt, érintkezési feltételek teremtik meg a valóságnak megfelelő kapcsolatot
• Hegesztési varratok részletes modellezése:
  • alapfém (BM)
  • hegvarrat (WM)
  • hőhatás övezet (HAZ)
• Konzervatív modell:
  • a végeselemes analízis során felhasznált adatoknak, feltételezéseknek konzervatív közelítésnek kell lenniük, ami azt jelenti, hogy minden változás, egyszerűsítés, illetve elhanyagolás a biztonság irányában történhet.

PEREMFELTÉTELEK (Boundary Conditions) : a vizsgálandó szerkezet végeselemes geometriai modelljének felépítése után a berendezés terheléseinek és megfogásainak definiálása következik:

• A berendezés terhelései:
  • mechanikai terhelés (nyomás, koncentrált erők, tömegerők, szerelési terhelések, stb)
  • hőtechnikai teher (áramló közeg hőm., környezeti hőm., kémia reakcióból származó hőm., stb)
  • áramló közeg terhelései (sebesség, nyomás)
  • kombinált terhelések
  • terhelés időbeni lefutása
    • stacionér, időben állandó teher
    • időtől függő periódikus, harmónikus lefutású terhelés
    • sztochasztikus terhelés
• A berendezés megfogásai:
  • merev megfogások
  • megvezetések
  • csőtámaszok
  • rugalmas megtámasztások

ANYAGJELLEMZŐK (Material Properties) : a modell alkatrészeinek szabványban definiált anyagjellemzői, illetve ennek hiányában szabványban előírt mérések által meghatározott - különböző környezeti, hőmérsékleti és terhelési szinten mutatott – tulajdonságai. Az adatok alapján meghatározandó a végeselem modell során alkalmazott mechanikai jellemzők, anyagtörvények, valamint meghibásodási kritériumok. Természetesen a számításokhoz használandó anyag-paraméterek az alkalmazott analízis típustól függnek:

• az alkalmazott analízis típusa szerint:
  • statikus, illetve stacionárius analízis
  • nem-lineáris analízis (anyagi, geometriai, kúszás, kontakt, stb)
  • dinamikai, illetve instacionárius analízis
  • ezek kombinációja
• a berendezés méretezése szerint:
  • megengedett feszültség alapján
  • kifáradási analízis alapján
  • kúszás-vizsgálatnak megfelelően
  • kifáradás-kúszás vizsgálat szerint
  • egyéb
• mechanikai jellemzők (Rm ; Rp0,1 ; E ; Rm|T|t ; Rp0,1|T|t ; ET ; Sa ; T ; tr(T,s) ; …)
• anyagjellemzők, megengedett feszültségek (s-e|T ; fnc ; ; ; … )
• biztonsági tényezők, faktorok, paraméterek (SFc ,WSF, WSRF, FSRF, …)
• egyéb, az analízisekhez szükséges fizikai és hőtechnikai jellemzők
• szakirodalmi és anyag-adatbázisok adatai
• egyedi mérések (alapanyag- és hegvarrat esetén kúszás-, szakító, fárasztó vizsgálatok, stb)

KALKULÁCIÓ(Calculation) : Miután elkészült a végeselem modell (háló) és a peremfeltételek, valamint az anyagjellemzők definiálásra kerültek, a végeselemes megoldó szoftver előállítja az egyenlet mátrixait (merevségi, tömegmátrix, stb), majd az így felállított algebrai egyenletet a felhasználó által kiválasztott numerikus módszer szerint megoldja. A számítógép által felállított és megoldott matematikai modell a kérdéses fizikai folyamatot írja le (lineáris statikai feladat, nem-lineáris statika, időfüggő dinamikai feladat, kúszás, stb) és a modell a számolás befejeztével a felhasználó által kért eredményeket szolgáltatja (alakváltozások, feszültségek, meghibásodási értékek, stb):

• a kalkuláció időszükséglete függ:
  • a feladat típusától
  • a végeselem modell méretétől
  • terhelési esetek számától
  • a rendelkezésre álló számítógép kapacitásától
  • az alkalmazott numerikus módszertől
• az alkalmazott analízis típusa lehet:
  • statikus, illetve stacionárius analízis
  • nem-lineáris analízis (anyagi, geometriai, kúszás, kontakt, stb)
  • dinamikai, illetve instacionárius analízis
  • ezek kombinációja
• egyéb, a futásidőt befolyásoló alkalmazott algoritmusok:
  • károsodásmechanikai modellek (Kachanov-Rabotnov Creep CDM)
  • speciális szubrutinok (creep, material, stb)
• pontosság, modellméret, futásidő (kényes egyensúly !)

KIÉRTÉKELÉS (Evaluation) : A végeselemes feldolgozási folyamat következő lépése a számított eredmények kiértékelése. Számítógépes támogatás szükséges egy numerikus módszer megoldása során keletkező tömérdek adat és információ feldolgozásához. Ezért a végeselemes szoftverek külön modulja tartalmazza azokat a funkciókat, amelyek az adatok gyors, szemléletes és hatékony feldolgozását lehetővé teszik. Az eredmények kiértékelésének a leghatékonyabb módja, ha magán a számítógépes végeselem modellen jelenítjük meg grafikusan azokat a jellemzőket (elmozdulás, feszültségek, sebesség, gyorsulás, stb), amelyeket az algebrai egyenletrendszer megoldása során eredményként kapunk, azonban a legtöbb esetben az adatok további speciális feldolgozása is szükséges (kifáradási analízis, kúszás számítások, stb)

• grafikus kiértékelés:
  • standard szín-skálás megjelenítés (fesz., alakváltozás, meghibásodás, stb)
  • vektorgrafikus ábrázolás (sebesség, elmozdulás, stb)
  • animációk (elmozdulás, feszültségek, sebesség, gyorsulás, stb)
  • diagramok (régió, adott pont fesz. változás)
  • grafikonok (kúszás görbe, kifáradási elemzés, stb)
  • egyéb mérnöki számítások megjelenítése
• adatok rendezése további kiértékelések számára:
  • feszültség linearizáció (membrán-, hajlitó-, csúcsfeszültség)
  • kifáradási analízis
  • kúszás vizsgálat
  • egyéb, szabvány által előírt eljárások (rugalmas-képlékeny analízis, stb)
• számítás eredményeinek mérésekkel való összevetése

MÓDOSÍTÁS, KALKULÁCIÓ (Modification, ReCalculation) : A végeselemes szilárdsági elemzés folyamata során az első számítási eredmények alapján szinte mindig szükség van a matematikai modell (elemsűrűség, anyagjellemzők, futási paraméterek, stb) pontosítására, finomítására. Az analízist végző mérnök kiértékeli az eredményeket, esetleg összeveti a számolt értékeket a rendelkezésre álló mérési eredményekkel és ezek alapján dönt a modell pontosításával, illetve módosításával kapcsolatban. Ezek után a modell újra kalkulációja történik. Minden modell finomítás a fizikai folyamat lehető legjobb modellezése, illetve az elérhető legpontosabb eredmény érdekében történik.

• módosítás okai:
  • további berendezés hozzáadása a modellhez (transzfercsövek, stb)
  • geometriai modell finomítása (furatok, csavarkötések, stb)
  • modell hálósűrűségének finomítása magas feszültségű régiókban
  • egyéb közeg figyelembe vétele (áramló folyadék, szélteher, stb)
  • peremfeltételek módosítása, pontosítása (megfogások, terhelések)
  • anyagjellemzők módosítása, pontosítása (rugalmas -> rugalmas-képlékeny anyagtörvény, paraméterek finomítása, stb)
  • analízis típusának módosítása (lin. statika. -> nem-lineáris analízis)
  • futási időtartam növelése (kúszási idő, stb)
  • terhelési esetek változása (további terhelések hozzáadása)

ÉLETTARTAM SZÁMÍTÁS (Remaining Life) : Magas hőmérsékleten és nyomáson üzemelő energetikai berendezések tervezése a szerkezet maradó élettartamának meghatározásán alapul, ami az esetek nagy részében a komponensek kifáradási vizsgálatát, illetve kúszásanalízisét jelenti. Ehhez feltétlenül szükség van a berendezés pontos mechanikai feszültség eloszlására, anyagának különböző hőmérsékletekhez tartozó mechanikai tulajdonságaira és a szakterület irányadó szabványának maradó élettartam meghatározását leíró eljárásaira. Ennek hiányában az adott vállalat esetén esetlegesen rendelkezésre álló un. „házi szabványok” az iránymutatók:

• a berendezés maradó élettartamra való méretezése történhet:
  • megengedett feszültség alapján (lin. statikai terhelések esetén)
  • kifáradási analízis alapján (lin. rugalmas analízis)
  • rugalmas-képlékeny kifáradási analízis alapján
  • kúszás-analízis szerint
  • kifáradás-kúszás analízis szerint
• végeselemes adatok rendezése élettartam vizsgálatok esetén:
  • feszültség linearizáció (membrán-, hajlitó-, csúcsfeszültség)
  • kifáradási görbék meghatározása adott anyagra
  • anyag adatbázisok kifáradás és kúszás vizsgálati eredményei
  • egyéb, szabvány által előírt eljárások (rugalmas-képlékeny analízis, stb)
  • kifáradás-kúszás vizsgálat eljárásai

KÖVETKEZTETÉS, JAVASLAT Az adott szerkezet maradó élettartamának meghatározását követően az eredmények ismeretében eldönthető a berendezés további üzemelésének kérdése: