Analisi FEM di un piping tramite MIDAS NFX
Si vuole analizzare il Caso Studio per l'analisi fem tramite Midas NFX di un piping modellato con elementi 1D.
La verifica non viene condotta secondo alcuna normativa. Lo scopo è quello di mostrare come si può impostare un'analisi di questo tipo. Gli ammissibili, giusto per avere dei valori di riferimento, sono calcolati secondo la normativa EN13455.
GEOMETRIA E REQUISITI
La struttura da analizzare è una struttura molto semplice dal punto di vista costruttivo.
Il piping in questione è costituito da un unica linea. La sezione è costituita da una tubazione con un diametro esterno di 80 mm ed uno spessore di 3 mm.
La pressione a cui è soggetto è di 10 MPa mentre la temperatura di esercizio è pari 200°C.
L'oggetto si trova ad una temperatura ambiente di 20°C.
Lo scopo è valutare gli stress massimi nella zona e le forze di reazione che si scaricano sulle fondamenta / vincoli.
Essendo il materiale una lega di acciaio, gli ammissibili, secondo normativa, sono dati da:
Dove con UTS si intende il valore di stress a rottura ultimo mentre con Y si intende lo stress di yield.
In questo caso si ha:
UTS = 398 212
Sy = 180
Secondo la formula di prima, come ammissibile si ottiene: 120 MPa
In figura 1 è rappresentata la geometria del piping.
Figura 1: Geometria del piping
MODELLO FEM
Date le caratteristiche geometriche, si utilizza una simulazione con elementi di tipo pipe. Tali elementi permettono di modellare la struttura tramite elementi 1D, potendo associare però una massa non strutturale per unità di lunghezza e una pressione interna. La modellazione è effettuata completamente all'interno di MidasNFX, creando la geometria direttamente con il suo modellatore geometrico.
In figura 2 è rappresento il modello geometrico, con attenzione alla sezione. Da ricordare che la sezione è un parametro concentrato e che non è un analisi 3D.
Figura 2: Geometria e Mesh
CONDIZIONI AL CONTORNO
Sono impostati due vincoli di tipo Fixed agli estremi liberi.
Tramite la funzione di PipeLoad è impostata una pressione interna di 10 MPa mentre tramite la funzione di Thermal Beam è impostata una temperatura di esercizio di 200°C.
Inoltre è impostata l'accelerazione di gravità.
All'interno del piping è stato impostato una massa non strutturale con un peso proprio di 15 kg/m
Figura 3: Condizioni Al Contorno
ANALISI E POST PROCESSING
Per analizzare i contributi dei singoli loadcases, 3 diverse analisi sono impostate.
Figura 4: Condizioni Al Contorno
Le analisi sono tutte analisi lineari elastiche.
Le tempistiche di analisi, essendo il modello molto semplice, sono veramente rapide.
Si riportano i campi di stress e di deformata della struttura soggetta alla combinazione di tutti e 3 i carichi impostati. in figura 5 e 6.
Figura 5: Spostamenti totale
Figura 6: Stress VonMises
Da quanto si può vedere, sulla base dei carichi imposti, la struttura risulta ben progettata.
Valutando il fattore di sicurezza e ricordando il valore di ammissibile essere pari a 120 MPa, si ottiene:
FS = 120 MPa / 106.43 MPa = 1.13 > 1 - OK
Sulla base di questi valori, il piping risulta verificato.
Ultima nota è il calcolo delle reazioni vincolari. Tramite Midas NFX è possibile interrogare direttamente il nodo di interesse e richiedere la stampa delle reazioni vincoli agenti su quel singolo nodo.
In questo caso, si prende come riferimento il nodo con il valore di stress massimo.
Tali valori sono i dati che dovranno essere forniti a chi progetterà il relativo Pressure Vessel a cui sarà attaccato il piping.
In figura sono riportate le sue reazioni vincolari:
Figura 7: Reazioni Vincolari nodo maggiormente caricato
CONCLUSIONE
Questo caso studio permette di mostrare come con MIDAS NFX sia possibile effettuare analisi di tubatura con una elevata facilità, potendo in maniera molto rapida operare delle variazioni si a livello geometrico, sia a livello di carichi, potendo così aggiornare il modello in maniera rapida in base alle scelte progettuali dettate dall'analisi.
Si ricorda che quanto qui esposto è solamente un caso studio ipotetico e non vuole in alcun modo essere un quaderno di progettazione. Affidati sempre a testi ufficiali o corsi professionali per poter effettuare le tue analisi.
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Ing. Francesco Grispo
fgcaeanalyst@gmail.com
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