| Popis: |
Laskentatehon kasvaessa FEM-laskennalla voidaan mallintaa tarkemmin yhä monimutkaisempia rakenteita. Virtuaalisella prototyypillä tuotekehitystä voidaan viedä entistä pidemmälle rakentamatta fyysistä prototyyppiä. Tässä työssä muodostetaan laskentamalli lämmöntalteenottokattilalle käyttämällä kaupallista Ansys Mechanical 2020 R2 -ohjelmistoa. Lisäksi työn tavoitteena on kerätä yrityksen käyttöön uusia laskentamenetelmiä. Työ on tehty osana Alfa Laval Aalborg Oy:n tuotekehitysprojektia. Työssä tutkitaan erityisesti epälineaarisen FEM-laskennan hyödyntämistä suuressa laskentamallissa. Työn alussa on esitelty käsiteltävä lämmöntalteenottokattila, sekä sen toiminta pääpiirteisesti. Teoriaosuudessa käsitellään yleisesti elementtimenetelmään liittyvää teoriaa ja käsitteitä. Osa teoriasta on yleispätevää ja osa Ansys Mechanicaliin liittyvää. Erityisesti keskitytään epälineaariseen elementtimenetelmään. Epälineaarisesta elementtimenetelmästä esitellään geometrinen epälineaarisuus, epälineaarinen materiaalimalli, sekä epälineaariset kontaktit. Lisäksi esitellään iteratiivisen ratkaisun periaate epälineaarisessa elementtimenetelmässä käyttämällä Newton-Raphson menetelmää. Newton-Raphson menetelmän käsittelyssä esitetään käsitteitä, jotka ovat tärkeitä työn käytännön vaiheessa, esimerkiksi konvergenssi ja iteraatiokierros. Teoriaosuudessa käsitellään lisäksi eri kontaktityyppejä. Lineaarisista kontakteista esitellään tärkeimpänä usean pisteen rajoiteyhtälöihin perustuva MPC-menetelmä. Epälineaarisista kontakteista tärkeimpänä esitellään kitkaliitos. Teoriaosuuden loppupuolella esitellään ruuviliitos ensiksi rakennesuunnittelun kannalta painottaen esikiristettyä ruuviliitosta. Tässä yhteydessä esitellään esikiristetyn ruuviliitoksen käytös vetovoiman, sekä leikkausvoima rasittamana. Seuraavaksi ruuviliitos käsitellään elementtimenetelmän kannalta ja esitellään eri tapoja yksinkertaistaa ruuviliitoksen laskentaa. Kaikkein monimutkaisimpana menetelmänä on koko ruuviliitoksen mallintaminen kiinteistä kappaleista. Seuraavaksi ruuviliitoksen yksinkertaistaminen palkkielementeiksi on esitelty. Teorian jälkeen esitellään laskentamallin muodostus. Käsittely aloitetaan kuormien määrityksellä. Määräävä kuormitusyhdistelmä on ASCE 7-10 -standardin mukainen tuulikuorma lämmön-talteenottokattilan leveälle sivulle. Ripaputkien aiheuttamat reaktiokuormat esitellään ja käydään läpi eri tapoja ottaa ne mukaan laskentamallissa. Ripaputkien reaktiokuormat muodostetaan erillisessä laskennassa, jossa käytetään virtuaalista massaa, sekä kiihtyvyyttä kuormituksena. FEM-laskentaa vertaillaan rakennelaskurilla muodostettuun analyyttiseen ratkaisuun. Kuormien määrityksen jälkeen esitellään savupiipun tuenta ja tuennan huomioiminen lopullisessa laskentamallissa. Savupiipun tuennassa vertaillaan lineaarista ja epälineaarista laskentaa. Huomataan, että kyseinen rakenne voidaan yksinkertaistaa lineaariseen muotoon. Tämän jälkeen esitellään lopullinen laskentamalli. Lopuksi esitellään tulokset. Tulosten perusteella laskentamalli toimi hyvin koko rakenteen mallintamiseen ja antoi kohtuullisessa ajassa tulokset. Lopullinen laskenta-aika tuulikuormituksen laskennassa oli alle 14 tuntia. Lämmöntalteenottokattilan rakenne osoittautui pääsääntöisesti toimivaksi. Rakenne kestää siihen kohdistuvat tuuli- ja maanjäristyskuormat. Jatkotutkimuksia vaaditaan paikallisten ilmiöiden tarkempaan analyysiin. Esimerkiksi ruuvilevyjen ja jalkapalkkien väliseen toimintaan, sillä poikittaisista jalkapalkeista löydettiin jännityskeskittymiä. Jatkotutkimuksissa täytyy selvittää johtuvatko kyseiset jännityskeskittymät virheestä laskentamallissa vai todellisesta jännityshuipusta, joka ylittää materiaalin myötörajan. Lisäksi virumistarkastelua varten tarvitaan tarkempi malli lämmönvaihtimia kannattelevasta rakenteesta. As the computational performance continues to grow, we can precisely analyze more complicated structures. By virtual prototyping it is possible to develop products further without manufacturing physical prototypes. In this work the analysis model for waste heat recovery boiler is constructed using the commercial Ansys Mechanical 2020 R2 software. The secondary aim of this thesis work is to gather new calculation methods for the company. This thesis is done as a part of product development project at Alfa Laval Aalborg Oy. Especially the usage of nonlinear FEM in a large calculation model is studied. At the beginning of this work the waste heat recovery boiler and outline of its usage is presented. General theory and terms of finite element method are presented at the theory part of this work. Some of the theory presented is general and some of it is specific to Ansys Mechanical. Special focus in on the nonlinear finite element method. Geometric nonlinearity, nonlinear material model and nonlinear contacts are presented as parts of the nonlinear finite element method. Also, the basis of iterative solving using Newton-Raphson method and different contact types are presented. As part of the Newton-Raphson method various terms are introduced that are used at the practical part of this thesis, such as convergence and iteration steps. Also, different contact types are presented. Most important linear contact type presented is the multi-point constraint method. And the most important nonlinear contact type to be presented is the frictional contact. Bolted connection is presented as a part of structural design focusing on pretensioned bolted connections. Pretensioned bolted connection is presented by both axial and tensional load. Next the bolted connection is presented in terms of FEM-analysis and different methods of simplifying the bolted connection in FEM-analysis are presented. The bolted connection is presented as solid model and the simplified to beam elements. After this both the methods are compared. Forming of the analysis model is presented after the theory part. This is started by defining the loads. Most severe load case is the wind load defined according to ASCE 7-10 standard. Reaction forces from the finned tubes and different methods to include them in the calculation are presented. The reaction forces are defined in separate calculation utilizing virtual mass and acceleration. The FEM-results are compared to analytical ones from structural analysis. After this the support for the chimney and the addition of the chimney support to the analysis model is presented. Linear and nonlinear analysis models are compared for the chimney support. It is then shown that the chimney support can be simplified as linear model. After this the final analysis model is presented. Lastly the results are presented. Based on the results the analysis model worked well as a general model for the structure and was able to solve in a reasonable timeframe. The final model using wind loads took under 14 hours to solve. The structure of the waste heat recovery boiler was found to be mostly functional. The structure is able to withstand the wind and seismic loads against it. Further inspection is needed for more precise analysis of local phenomena within the model. The behavior between sliding-bolt-plates and leg beams needs further inspection since there were stress concentrations found inside the leg beams. Whether these stress concentrations are errors within the model or true stress concentrations that surpass the material yield limit must be determined by further inspections. Also, more precise model is needed to determine the creep behavior of the structure supporting the heat exchangers. |
