Verifica fondo piatto scambiatore

Calender

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Buonasera, sono alle prese con una verifica su uno scambiatore che contiene olio diatermico ( alla temperatura di circa 180 °C),la verifica va effettuata considerando 8 bar di pressione... in particolare mi è stato chiesto di valutare la massima deformazione sul fondo.

SERBATOIO.PNG

I dati che ho a disposizione:
-De=1000 mm
-Di ì=980 mm
-Spessore fondo piatto = 20 mm

La saldatura viene applicata solo sul lato esterno come nell'immagine

Cattura.PNG

La saldatura è a tenuta ovviamente.

Ho letto un po di teoria dei recipienti ed è venuto fuori che,in base alle condizioni di vincolo,la freccia al centro può variare notevolmente. La teoria prevede due casi,in funzione delle condizioni di vincolo:

fl.png

La mia domanda è la seguente:una saldatura solo da un lato a cosa è assimilabile dal punto di vista vincolare?..
Se viene praticata da entrambi i lati sono sicuro rientri nel caso dell'incastro...ma in questo caso non credo sia giusto identificarla come un appoggio.. voi cosa ne pensate?

Il tutto mi servirebbe per validare un analisi FEM che sto effettuando.
 

meccanicamg

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Siccome la saldatura unilaterale permette più facilmente la rotazione del fondo si potrebbe considerare come un appoggio e non come incastro. Inoltre se la dimensione del fondo è precisa con la camicia è invece più bloccato e può essere un incastro. Se il fondo è lasco nella camicia non reagisce sullo spessore.
 

Calender

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Siccome la saldatura unilaterale permette più facilmente la rotazione del fondo si potrebbe considerare come un appoggio e non come incastro. Inoltre se la dimensione del fondo è precisa con la camicia è invece più bloccato e può essere un incastro. Se il fondo è lasco nella camicia non reagisce sullo spessore.
Questo al momento non ho modo di verificarlo,comunque mi pongo nel caso conservativo. Non si può mai sapere. Ho fatto un modellino FEM per l'applicazione in esame...

Effettivamente ponendo come vincolo sul bordo esterno l'incastro,i risultati coincidono con quell teorici (con un errore del 3% circa).

FEM 1.PNG

Mentre nel caso della saldatura da un solo lato (quindi assumendo che la stessa si comporti come una cerniera),questi sono i risultati che conferisce il FEM (per simularla ho dovuto vincolare con incastro lo spicolo del diametro esterno)....differiscono di parecchio da quelli teorici (lo spostamento teorico è circa il doppio!)..avete qualche suggerimento? (Purtroppo non posso personalizzare il settaggio dei vincoli,uso un modulo FEM di Inventor)

FEM 2.PNG Spigolo.PNG

Ho provato anche a costruirmi un assieme e simulare il tutto prevedendo la saldatura ma i risultati non coincidono comunque con quelli teorici (11 mm anzichè 18 mm),come si giustifica questa differenza? Credo dipenda dalle condizioni di vincolo..

Cattura.PNG

Grazie a quanti mi daranno conferma/suggerimenti
 

meccanicamg

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Una cosa che puoi fare è disegnare il cilindro della camicia, il fondo leggermente più piccolo, disegnare la saldatura e soprattutto per quanto riguarda il fondo deve avere almeno 3 elementi di mesh solida sullo spessore e non due messi a mo'di rettangolo perché il comportamento risulta rigido.
Vincoli la camicia e applichi il carico.
Se vuoi una maggiore flessibilità di analisi FEM puoi usare FreeCAD con workbench FEM che è completamente gratuito e quindi usare il motore di calcolo Calculix che è uno dei più usati in ambito meccanico free.
Inoltre sarebbe da dover valutare se c'è degradamento delle caratteristiche meccaniche del materiale da te usato ....non so se INOX o acciaio da costruzione appositamente verniciato.
 
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meccanicamg

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Ho realizzato 120 mm di lunghezza di tubo e il fondo come lamiera da 20 mm di spessore ma con 3 mm di aria tutto attorno, facendo lavorare la saldatura come un appoggio e lasciando libera di ruotare la lastra. Ho vincolato come incastro lo spessore del tubo, in modo che camicia e fondo possano interagire abbastanza in modo omogeneo.
schem.png

Sto considerando per la simulazione un acciaio da costruzione con E=210000MPa.

Come mesh ho fatto una solida con lato non superiore a 8 mm. Sicuramente avrei potuto fare una mesh più fine.
Ho caricato su tutta la superficie 0,8MPa di pressione e il risultato è che la flessione al centro è diversa da quella teorica (formule che hai postato tu). La freccia risulta 7,5mm.
y_8.png
In via teorica doveva risultare una freccia di 4,67mm se considerato un incastro e una freccia di 19,08mm se considerato un appoggio.

Quindi procediamo a realizzare questa volta il fondo senza aria tra il disco e la camicia, quindi simuliamo un incastro e vediamo cosa succede.

y_8_inc.png
Questa volta, con mesh da 8mm otteniamo una deformazione al centro di 3,6mm che si avvicina di più a quella teorica.

Riproviamo a farla la simulazione con una mesh di grandezza 6mm che è la dimensione giusta per ottenere almeno 3 elementi mesh solidi sullo spessore da 20mm.

y_6_inc.png
Ed ecco finalmente ottenere y=4,23mm che è molto prossimo al valore teorico che stiamo cercando in condizioni incastrate.

Questo sta a significare che la dimensione della mesh è una cosa molto importante per analizzare e simulare il comportamento elastico di un materiale. Se volessimo vedere il comportamento in modo più accurato, ovviamente con un incremento di numero di nodi e quindi di tempo e risorse per il calcolo FEM, potremmo:
- infittire la mesh a valori di 3 mm per avere anche l'andamento sulla camicia del tubo che è di 10mm e quindi per avere almeno 3 elementi di mesh sullo spessore
- usare una mesh solida di secondo ordine e non di primo ordine, al fine di avere maggiore elasticità della mesh e quindi una descrizione più uniforme della deformazione
- cambiare completamente metodo ed utilizzare le shell al posto della mesh solida e impostare lo spessore equivalente (strada molto veloce e che usa poche risorse di calcolo)

La condizione di saldatura con il fondo più piccolo della camicia, risulta comunque una condizione che non è un incastro ma non è neppure appoggiata perchè comunque la lamiera è vincolata e non può far sposare la lamiera al centro. Pertanto ottenere una freccia che sia una via di mezzo tra l'incastro e l'appoggio potrebbe essere un risultato sensato. Sicuramente ha bisogno di maggiore analisi.
 

Calender

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Una cosa che puoi fare è disegnare il cilindro della camicia, il fondo leggermente più piccolo, disegnare la saldatura e soprattutto per quanto riguarda il fondo deve avere almeno 3 elementi di mesh solida sullo spessore e non due messi a mo'di rettangolo perché il comportamento risulta rigido.
Vincoli la camicia e applichi il carico.
Se vuoi una maggiore flessibilità di analisi FEM puoi usare FreeCAD con workbench FEM che è completamente gratuito e quindi usare il motore di calcolo Calculix che è uno dei più usati in ambito meccanico free.
Inoltre sarebbe da dover valutare se c'è degradamento delle caratteristiche meccaniche del materiale da te usato ....non so se INOX o acciaio da costruzione appositamente verniciato.
Grazie,alla fine sono riuscito ad approssimare meglio il comportamento grazie alla dritta dell'aria tra camicia e fondo.

Una curiosità..con il modulo FEM di Freecad è possibile importare anche i file esterni (step o in altri formati) ed effettuare l'analisi? Oppure è preferibile/necessario rimodellare i solidi nel programma FreeCAD?
 

meccanicamg

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Grazie,alla fine sono riuscito ad approssimare meglio il comportamento grazie alla dritta dell'aria tra camicia e fondo.

Una curiosità..con il modulo FEM di Freecad è possibile importare anche i file esterni (step o in altri formati) ed effettuare l'analisi? Oppure è preferibile/necessario rimodellare i solidi nel programma FreeCAD?
FreeCAD diciamo che è un cad completo, quindi puoi scegliere tu se modellare in modo nativo oppure importare step.
In ambito lavorativo di solito di usano CAD a pagamento e quindi si ha meno praticità a rimodellare in FreeCAD e quindi si importa lo step.
In ambito domestico se non si hanno programmi a pagamento non rimane che fare tutto in FreeCAD.
 

meccanicamg

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Per quanto riguarda il degradamento delle caratteristiche meccaniche non dovrebbero esserci problemi poiché a 180°C avremo una perdita del 2% circa rispetto a quelle a temperatura ambiente di 25°C.
Certamente acciai strutturali dedicati per temperature più alte di quella di 25°C sono comunque preferibili per l'applicazione.
Qui sotto un AISI 1020 che è praticamente un nostro DIN C22 laminato a caldo.
Screenshot_20200112_193752.jpg
 

PIETRO2002

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Io ho sempre visto i fondi dei recipienti in pressione bombati!
 

Calender

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Io ho sempre visto i fondi dei recipienti in pressione bombati!
Diciamo che non si tratta di un recipiente in pressione vero e proprio ...e nel mio particolare caso c'è un motivo del fondo piatto ;) .. ho semplificato un po' la trattazione x concentrarmi su quello che mi serviva :)
 
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paulpaul

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Regione: Parma
Ciao
la domanda nasce dal fatto che per immettere sul mercato un recipiente a pressione questo deve soddisfare i requisiti essenziali della PED (Pressure Equipment Directive), e deve essere certificato CE di conseguenza. L'applicabilità o meno di questa Direttiva al tuo scambiatore dipende non solo dalla pressione di progetto (che non è la pressione di test e neanche quella di lavoro) ma anche dal volume di questo, oltre che dal tipo di fluido contenuto.
Qui puoi trovare un calcolatore per verificare se il tuo dispositivo finisce in PED, e se si in quale categoria.

Tutto questo pistolotto solo per dire che, se finisce in PED, si applicano per la progettazione delle norme armonizzate (EN 13445) che impongono delle ben precise tipologie delle saldature (e altri requisiti). Ovviamente, essendo norme,queste sono di applicazione facoltativa (puoi sostituirle con calcoli FEM come il tuo, a patto di dimostrare il soddisfacimento dei requisiti, che invece appartengono alla Direttiva e sono obbligatori, essendo legge recepita). Gli organismi notificati tuttavia sono più favorevoli a lavorare con le norme armonizzate, in quanto si tratta di una base comune e condivisa.
Magari controlla ;)
Ciao!
 

Calender

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Buonasera,ho fatto qualche passo avanti con l'analisi. In pratica prendendo spunto dai consigli di meccamicamg sono andato avanti col modellare le giunzioni tra manto e fondo ed in più ho inserito anche dei rinforzi , disposti in senso radiale per limitare le deformazioni. Inoltre ho considerato anche l'effetto di limitazione delle deformazioni dovuto alla presenza di uno dei due alberi che escono dal rullo (che verranno poi fissati in supporti appositi).

Cattura 1.PNG

Questi sono i risultati.

Cattura 3.PNGCattura.PNG

Le coste di rinforzo sono distanziate di 2 mm dal perno centrale ed ho riempito con saldatura la zona d'aria. Secondo voi è corretto come approccio in questo caso? O "a livello di saldature" il calcolo non è realistico?

Cattura 2.PNG

Posto due possibili soluzioni che "pagano" di piu' l'occhio... e credo anche i calcoli.
Interessante...prenderò in considerazione ;)

Ciao
la domanda nasce dal fatto che per immettere sul mercato un recipiente a pressione questo deve soddisfare i requisiti essenziali della PED (Pressure Equipment Directive), e deve essere certificato CE di conseguenza. L'applicabilità o meno di questa Direttiva al tuo scambiatore dipende non solo dalla pressione di progetto (che non è la pressione di test e neanche quella di lavoro) ma anche dal volume di questo, oltre che dal tipo di fluido contenuto.
Qui puoi trovare un calcolatore per verificare se il tuo dispositivo finisce in PED, e se si in quale categoria.

Tutto questo pistolotto solo per dire che, se finisce in PED, si applicano per la progettazione delle norme armonizzate (EN 13445) che impongono delle ben precise tipologie delle saldature (e altri requisiti). Ovviamente, essendo norme,queste sono di applicazione facoltativa (puoi sostituirle con calcoli FEM come il tuo, a patto di dimostrare il soddisfacimento dei requisiti, che invece appartengono alla Direttiva e sono obbligatori, essendo legge recepita). Gli organismi notificati tuttavia sono più favorevoli a lavorare con le norme armonizzate, in quanto si tratta di una base comune e condivisa.
Magari controlla ;)
Ciao!
Ciao Paulpaul, appena posso verifico senz'altro..molto comodo il Link ;) ... di recipienti non ne so molto però mi piacerebbe approfondire ...
 

PIETRO2002

Utente Junior
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Regione: LOMBARDIA
Se la strada e' quella di mettere delle nervature, io su queste nervature, in prossimita' del mozzo centrale, farei degli smussi, in modo da avere una saldatura non ad angolo ma a v, che mi pare piu' resistente.
Comunque resto perplesso dalla differenza degli spessori del mantello rispetto al fondo.
Un fondo spessore 15 mm, opportunamente nervato cede?
 

Calender

Utente attivo
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Software: Inventor
Regione: Friuli Venezia Giulia
Inoltre come rinforzo possibile ho trovato questa indicazione su un manuale, cioè piu che mettere nervature mettono degli anelli circolari sul fondo... ma mi sa che è una soluzione che funziona bene quando il fondo non è supportato al centro (almeno da quello che vedo facendo un po di simulazioni)..


Cattura.PNG
 

PIETRO2002

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Si deve stare attenti ad aggiungere molte nervature, significano tanti cordoni di saldatura e tantissima deformazione termica, che non sempre e' facile e possibile da eliminare.
Magari si ottiene un manufatto che meccanicamente tiene, ma a livello dimensionale e' come il " manico dell'ombrello" :)
 

paulpaul

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Regione: Parma
Ciao Paulpaul, appena posso verifico senz'altro..molto comodo il Link ;) ... di recipienti non ne so molto però mi piacerebbe approfondire ...
Verifica se ricade in PED per almeno due motivi:
1. Non puoi immettere sul mercato il componente senza la dovuta certificazione CE;
2. Si fa riferimento in genere a norme armonizzate che impongono forma dei fondelli (con codici di calcolo definiti, senza la necessità che ti faccia dei FEM specifici, anche se nessuno te lo vieta) e soprattutto tipo di saldature (in genere a piena penetrazione) e controlli non distruttivi - credo che il suggerimento di PIETRO2002 nel suo secondo allegato andasse proprio in questa direzione ;)
 

Calender

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Regione: Friuli Venezia Giulia
Verifica se ricade in PED per almeno due motivi:
1. Non puoi immettere sul mercato il componente senza la dovuta certificazione CE;
2. Si fa riferimento in genere a norme armonizzate che impongono forma dei fondelli (con codici di calcolo definiti, senza la necessità che ti faccia dei FEM specifici, anche se nessuno te lo vieta) e soprattutto tipo di saldature (in genere a piena penetrazione) e controlli non distruttivi - credo che il suggerimento di PIETRO2002 nel suo secondo allegato andasse proprio in questa direzione ;)
Ciao dall'analisi fatta dovrebbe essere in Categoria I (Modulo A),visto ciò bisogna reperire la EN 13445 come suggerivi?