Postup výpočtu zostatkovej životnosti

1. Cieľ analýzy (Goal of Analysis): účelom je určenie ciela analýzy zostatkovej životnosti zariadenia, jeho konečný termín, ďalej je možné definovať aplikovanú metódu a dôvod skúšky:

2. Zaťaženie zariadenia (Loads): povaha zaťaženia skúšaného zariadenia určuje typ požadovaného testu (pružno-pevnostné, tepelnotechnické, prúdenie, viazané úlohy), je nevyhnutné poznať materiálové charakteristiky definované v norme, alebo ak neexistujú, vlastnosti určené meraním predpísaným v norme – namerané pri rôznych úrovniach prostredia, teploty a zaťaženia:

CAD Model (CAD Model) : príprava 3D počítačového geometrického (CAD) modelu analyzovaného zariadenia:

• 3D objemový model na každú jednu súčiastku zariadenia:
  • posúdenie zariadenia, ktoré sa má testovať, + aj súvisiacich jednotiek
  • Modelovanie každej jednej časti zariadenia (plášť + vnútorné časti + médium)
  • Úplný geometrický model (CAD) (kovové prvky + skrutky + tesnenia + médiá + iné)
• Modelovanie skrutkových spojov
  • 3D model skrutky
  • Montážne zaťaženie
  • Modelovanie tesnenia
• Modelovanie zvarových spojov:
  • Základný materiál (BM)
  • Tupý zvar (WM)
  • Tepelne ovplyvnená zóna (HAZ)

CAE Model (CAE Model): rozloženie napätí a pretvorení :príprava 3D konečnoprvkových počítačových modelov (CAE) testovaného zariadenia. Pre ľubovoľnú pevnostnú kontrolu, resp. výpočet zostatkovej životnosti presne určiť

• 3D objemové konečné prvky (SOLID) na každú jednu časť zariadenia:
  • Konečnoprvkový model obsahuje každú jednu dôležitú geometrickú časť zariadenia (kovové prvky + média + tesnenia + atď), pričom ich popisuje presne a detailne
  • Z dôvodu požadovanej presnosti model je tvorený tzv. SOLID prvkami (lineárne HEXA, PENTA prvky)
  • všetky, od vzarov odlišné rozoberateľné spoje musia byť presne vymodelované skrutkové spoje
  • Kontaktné plochy medzi jednotlivými montovanými súčiastkami vytvárajú realite odpovedajúce relácie
• Detailné modelovanie zvarových spojov:
  • Základný kov (BM)
  • Tupý zvar (WM)
  • Tepelne ovplyvnená zóna (HAZ)
• Konzervatívny model:
  • Všetky údaje a predpoklady používané pri konečnoprvkových analýzach musia byť konzervatívne, čo znamená, že každá zmena, zjednodušenie, resp. zanedbanie môže byť vykonané ibe v smere bezpečnosti.

OKRAJOVÉ PODMIENKY (Boundary Conditions) : po vytvorení konečnoprvkového geometrického modelu vyšetrovaného zariadenia nasleduje definícia jeho zaťažení a uchytení:

• Zaťaženia zariadenia:
  • Mechanické zaťaženie (tlak, koncentrované sily, hmotnostné sily, montážne zaťaženia, atď.)
  • Tepelnotechnické zaťaženie (teplota prúdiaceho média, teplota okolia, teplota z chemickej reakcie, atď.)
  • Zaťaženia prúdiaceho média (rýchlosť, tlak)
  • Kombinované zaťaženia
  • Časový priebeh zaťaženia
    • stacionárne, časovo konštantné zaťaženie
    • Od času závislé periodické, harmonické zaťaženie
    • Stochastické zaťaženie
• Uchytenia zariadenia:
  • Tuhé uchytenia
  • Vodítka
  • Podpery potrubí
  • Pružné uloženia

MATERIÁLOVÉ VLASTNOSTI (Material Properties) : Je nevyhnutné poznať materiálové charakteristiky zariadenia, ktoré sa má testovať, ako je definované v norme, alebo ak takéto neexistujú, vlastnosti určené meraním predpísaným v norme – namerané pri rôznych podmienkach prostredia, teploty a zaťaženia. Na základe týchto údajov je možné určiť mechanické vlastnosti, materiálové zákony a kritériá poškodenia a implementovať ich do konečnoprvkvého modelu. Samozrejme materiálové parametre používané pri výpočtoch sú závislé aj od typu použitej analýzy:

• Podľa typu použitej analýzy:
  • statická, respektne stacionárna analýza
  • Nelineárna analýza (materiálová, geometrická, creep, kontakt, atď)
  • dynamická, respektne nestacionárna analýza
  • Ich kombinácia
• Podľa konštrukčných požiadaviek zariadenia:
  • Na základe dovoleného napätia
  • Na základe únavovej analýzy
  • Podľa creepových skúšok
  • Podľa únavovo-creepovej skúšky
  • iné
• Mechanické parametre(Rm ; Rp0,1 ; E ; Rm|T|t ; Rp0,1|T|t ; ET ; Sa ; T ; tr(T,s) ; …)
• Materiálové parametre, dovolené napätia (s-e|T ; fnc ; ; ; … )
• Súčinitele bezpečnosti, faktory, parametre (SFc ,WSF, WSRF, FSRF, …)
• iné, pre analýzy potrebné fizické a tepelnotechnické parametre
• Údaje z literatúry a materiálových databáz
• Na mieru šité merania (v prípade základného materiálu a tupého zvaru creepové-, ťahové-, únavové skúšky, atď.)

KALKULÁCIA (Calculation) : Po dokončení konečnoprvkového modelu (sieť) a sú zadefinované okrajové podmienky a materiálové parametre, riešič konečnoprvkového modelu vytvorí matice rovníc (tuhostné, hmotnostné matice, atď.), a následne vyrieši takto postavené algebraické rovnice podľa zvolenej numerickej metódy. Počítačom postavený a vyriešený matematický model popisuje daný fyzikálny problém (lineárne statická úloha, nelineárna statika, časovo závislá dynamická úloha, creep, atď.) a model po dokončení výpočtu poskytuje užívateľom žiadané výstupy (zmeny tvaru, napätia, miery poškodenia, atď.):

• Čas potrebný na výpočet je závislý od:
  • Typu úlohy
  • Od veľkosti konečnoprvkového modelu
  • Od počtu zaťažovacích stavov
  • Od existujúcej výpočtovej kapacity
  • Od použitej numerickej metódy
• Typ použitej analýzy môže byť:
  • statická, respektne stacionárna analýza
  • Nelineárna analýza (materiálová, geometrická, creep, kontakt, atď)
  • dynamická, respektne nestacionárna analýza
  • Ich kombinácia
• Iné použité algoritmy vplývajúce na dobu výpočtu :
  • Modely mechanického poškodenia (Kachanov-Rabotnov Creep CDM)
  • Špeciálne subrutiny (creep, material, atď.)
• presnosť, veľkosť modelu, doba výpočtu (veľmi citlivá rovnováha!)

VYHODNOTENIE (Evaluation) : Ďalším krokom procesu konečnoprvkových analýz je vyhodnotenie vypočítaných výsledkov. Na spracovanie veľkého množstva dát a informácií generovaných pri riešení numerickej metódy je potrebná počítačová podpora. Preto každý konečnoprvkový softvér má zvláštny modul obsahujúci tie funkcie, ktoré umožňujú rýchle, prehľadné a účinné spracovanie výstupov. Najúčinnejší spôsob vyhodnocovania výsledkov je, ak fyzické parametre (posunutia, napätia, rýchlosti, zrýchlenia, atď) znázorníme graficky priamo na konečnoprvkovom modeli tie dáta, ktoré získame ako výsledky pri riešení algebraických rovníc, ale vo väčšine prípadov je nutné tieto dáta ďalej špeciálne spracovať (únavová analýza, výpočty creepu, atď)

• Grafické vyhodnotenie:
  • Znázornenie štandardnej farebnej škály (napätie, pretvorenie, poškodenie, atď.)
  • Vektorovo-grafické znázornenie (rýchlosť, posunutie, atď.)
  • Animácie (posunutia, napätia, rýchlosť, zrýchlenie, atď.)
  • diagramy (región, zmena napätia deného bodu)
  • Grafy (creepova krivka, analýza únavy, atď.)
  • Znázornenie iných inžinierskych výpočtov
• Spracovanie dát pre ďalšie vyhodnocovanie:
  • Linearizácia napätí (membránové-, ohybové-, špičkové napätie)
  • Únavová analýza
  • Creepová analýza
  • Iné, normou predpísané postupy (pružne-plastická analýza, atď.)
• Porovnanie vypočítaných výsledkov s nameranými údajmi

MODIFIKÁCIA, VÝPOČET (Modification, ReCalculation) : V priebehu napäťových konečnoprvkových analýz po prvotných výsledkoch skoro vždy je nutná modifikácia, spresnenie matematického modelu (hustota prvkov, materiálové parametre, výpočtové parametre, atď.). Inžinier vykonávajúci analýzy vyhodnotí výsledky, prípadne porovná vypočítané hodnoty s existujúcimi nameranými údajmi, a na základe toho sa rozhodne ohľadne spresnenia, resp. o modifikácii modelu. Nasleduje opätovný výpočet modelu. Každé jedno spresnenie je vykonané s cieľom čo najlepšieho popísania fyzikálneho procesu a získania čo najpresnejších výsledkov.

• Dôvody modifikácie:
  • Pripojenie ďalšieho zariadenia k modelu (transferné rúry, atď.)
  • Zjemnenie geometrického modelu (otvory, skrutkové spoje, atď.)
  • Lokálne zjemnenie siete v regiónoch s vysokou hodnotou napätí
  • Zohľadnenie iných médií (prúdiaca kvapalina, zaťaženie od vetra, atď.)
  • Modifikácia, spresnenie okrajových podmienok (uchytenia, zaťaženia)
  • Spresnenie a modifikácia materiálových parametrov (pružné -> pružne-plastické materiálové zákony, zjemnenie parametrov, atď.)
  • Modifikácia typu analýzy (lineárna statika -> nelineárna analýza)
  • Zvýšenie doby výpočtu (doba creepu, atď.)
  • Zmeny zaťažovacích stavov (pridávanie ďalších zaťažení)

VÝPOČET ZOSTATKOVEJ ŽIVOTNOSTI (Remaining Life) : Navrhovanie energetických zariadení prevádzkovaných pri vysokých teplotách a tlakoch je založený na určení zostatkovej životnosti danej konštrukcie, čo vo väčšine prípadov zmanená únavové a creepové analýzy komponentov. K tomu je nutné veľmi presne zmapovať rozloženie mechanických napätí v zariadení, poznať mechanické vlastnosti materiálov pre jednotlivé teplotné úrovne, a tiež je nutné poznať pre daný obor smerodajnou normou určené postupy pre zostatkovú životnosť. Pokiaľ takáto norma neexistuje, potom sú v prípade daného podniku smerodajné tzv. „domáce normy”:

• Dimenzovanie zariadenia na zostatkovú životnosť môže byť realizované:
  • Na základe dovoleného napätia (v prípade lineárnych statických zaťažení)
  • Na základe únavovej analýzy (lineárna pružná analýza)
  • Na základe pružne-plastickej únavovej analýzy
  • Za báze creepovej analýzy
  • Na základe únavovo-creepovej analýzy
• Spracovanie konečnoprvkových dát v prípade analýz životnosti:
  • Linearizácia napätí (membránové-, ohybové, špičkové napätie)
  • Určenie únavových kriviek daného materiálu
  • Výsledky únavových a creepových skúšok z materiálových databáz
  • Iné, normou predpísané postupy (pružno-plastická analýza, atď.)
  • Postupy únavovo-creepových skúšok

ZÁVERY, ODPORÚČANIA (Conclusions, Suggestions): Po určení zostatkovej životnosti danej konštrukcie je možné na základe výsledkov rozhodnúť o otázke ďalšej prevádzky zariadenia: