TY - CHAP A1 - Staat, Manfred A1 - Heitzer, Michael T1 - Direkte FEM-Berechnung der Tragfähigkeit hochbeanspruchter passiver Komponenten T1 - Direct FEM-computation of load carrying capacity of highly loaded passive components N2 - Genaue Kenntnis der Spannungen und Verformungen in passiven Komponenten gewinnt man mit detailierten inelastischen FEM Analysen. Die lokale Beanspruchung läßt sich aber nicht direkt mit einer Beanspruchbarkeit im strukturmechanischen Sinne vergleichen. Konzentriert man sich auf die Frage nach der Tragfähigkeit, dann vereinfacht sich die Analyse. Im Rahmen der Plastizitätstheorie berechnen Traglast- und Einspielanalyse die tragbaren Lasten direkt und exakt. In diesem Beitrag wird eine Implementierung der Traglast- und Einspielsätze in ein allgemeines FEM Programm vorgestellt, mit der die Tragfähigkeit passiver Komponenten direkt berechnet wird. Die benutzten Konzepte werden in Bezug auf die übliche Strukturanalyse erläutert. Beispiele mit lokal hoher Beanspruchung verdeutlichen die Anwendung der FEM basierten Traglast- und Einspielanalysen. Die berechneten Interaktionsdiagramme geben einen guten Überblick über die möglichen Betriebsbereiche passiver Komponenten. Die Traglastanalyse bietet auch einen strukturmechanischen Zugang zur Kollapslast rißbehafteter Komponenten aus hochzähem Material. KW - Finite-Elemente-Methode KW - Tragfähigkeit KW - FEM-Programm KW - FEM-computation KW - load carrying capacity Y1 - 1997 ER - TY - CHAP A1 - Staat, Manfred A1 - Heitzer, Michael T1 - Limit and shakedown analysis for plastic design N2 - Limit and shakedown theorems are exact theories of classical plasticity for the direct computation of safety factors or of the load carrying capacity under constant and varying loads. Simple versions of limit and shakedown analysis are the basis of all design codes for pressure vessels and pipings. Using Finite Element Methods more realistic modeling can be used for a more rational design. The methods can be extended to yield optimum plastic design. In this paper we present a first implementation in FE of limit and shakedown analyses for perfectly plastic material. Limit and shakedown analyses are done of a pipe–junction and a interaction diagram is calculated. The results are in good correspondence with the analytic solution we give in the appendix. KW - Einspielen KW - Traglast KW - Finite-Elemente-Methode KW - Traglastanalyse KW - Einspielanalyse KW - FEM KW - limit analysis KW - shakedown analysis Y1 - 1997 ER - TY - CHAP A1 - Staat, Manfred A1 - Heitzer, M. A1 - Hicken, E. F. T1 - LISA, ein europäisches Projekt zur direkten Berechnung der Tragfähigkeit duktiler Strukturen N2 - Traglast- und Einspielanalysen sind vereinfachte doch exakte Verfahren der Plastizität, die neben ausreichender Verformbarkeit keine einschränkenden Voraussetzungen beinhalten. Die Vereinfachungen betreffen die Beschaffung der Daten und Modelle für Details der Lastgeschichte und des Stoffverhaltens. Anders als die klassische Behandlung nichtlinearer Probleme der Strukturmechanik führt die Methode auf Optimierungsprobleme. Diese sind bei realistischen FEM-Modellen sehr groß. Das hat die industrielle Anwendung der Traglast- und Einspielanalysen stark verzögert. Diese Situation wird durch das Brite-EuRam Projekt LISA grundlegend geändert. Die Autoren möchten der Europäischen Kommission an dieser Stelle für die Förderung ausdrücklich danken. In LISA entsteht auf der Basis des industriellen FEM-Programms PERMAS ein Verfahren zur direkten Berechnung der Tragfähigkeit duktiler Strukturen. Damit kann der Betriebsbereich von Komponenten und Bauwerken auf den plastischen Bereich erweitert werden, ohne den Aufwand gegenüber elastischen Analysen wesentlich zu erhöhen. Die beachtlichen Rechenzeitgewinne erlauben Parameterstudien und die Berechnung von Interaktionsdiagrammen, die einen schnellen Überblick über mögliche Betriebsbereiche vermitteln. Es zeigt sich, daß abhängig von der Komponente und ihren Belastungen teilweise entscheidende Sicherheitsgewinne zur Erweiterung der Betriebsbereiche erzielt werden können. Das Vorgehen erfordert vom Anwender oft ein gewisses Umdenken. Es werden keine Spannungen berechnet, um damit Sicherheit und Lebensdauer zu interpretieren. Statt dessen berechnet man direkt die gesuchte Sicherheit. Der Post-Prozessor wird nur noch zur Modell- und Rechenkontrolle benötigt. Das Vorgehen ist änhlich der Stabilitätsanalyse (Knicken, Beulen). Durch namhafte industrielle Projektpartner werden Validierung und die Anwendbarkeit auf eine breite Palette technischer Probleme garantiert. Die ebenfalls in LISA geplante Zuverlässigkeitsanalyse ist erst auf der Basis direkter Verfahren effektiv möglich. Ohne Traglast- und Einspielanalyse ist plastische Strukturoptimierung auch heute kaum durchführbar. KW - Finite-Elemente-Methode KW - Traglastanalyse KW - Einspielanalyse KW - limit analysis KW - shakedown analysis Y1 - 1998 ER - TY - CHAP A1 - Lang, H. A1 - Wirtz, K. A1 - Heitzer, Michael A1 - Staat, Manfred A1 - Oettel, R. T1 - Zyklische Einspielversuche zur Verifikation von Shakedown-Analysen mittels FEM T1 - Cyclic plastic deformation test to verify FEM-based shakedown analysis N2 - Im Rahmen von Ermüdungsanalysen ist nachzuweisen, daß die thermisch bedingten fortschreitenden Deformationen begrenzt bleiben. Hierzu ist die Abgrenzung des Shakedown-Bereiches (Einspielen) vom Ratchetting-Bereich (fortschreitende Deformation) von Interesse. Im Rahmen eines EU-geförderten Forschungsvorhabens wurden Experimente mit einem 4-Stab-Modell durchgeführt. Das Experiment bestand aus einem wassergekühlten inneren Rohr und drei isolierten und beheizbaren äußeren Probestäben. Das System wurde durch alternierende Axialkräfte, denen alternierende Temperaturen an den äußeren Stäben überlagert wurden, belastet. Die Versuchsparameter wurden teilweise nach vorausgegangenen Einspielanalysen gewählt. Während der Versuchsdurchführung wurden Temperaturen und Dehnungen zeitabhängig gemessen. Begleitend und nachfolgend zur Versuchsdurchführung wurden die Belastungen und die daraus resultierenden Beanspruchungen nachvollzogen. Bei dieser inkrementellen elasto-plastischen Analyse mit dem Programm ANSYS wurden unterschiedliche Werkstoffmodelle angesetzt. Die Ergebnisse dieser Simulationsberechnung dienen dazu, die Shakedown-Analysen mittels FE-Methode zu verifizieren. KW - Einspielen KW - Traglast KW - Finite-Elemente-Methode KW - Shakedown KW - shakedown analysis KW - plastic deformation Y1 - 1999 ER - TY - CHAP A1 - Staat, Manfred A1 - Heitzer, Michael A1 - Hicken, E. F. T1 - LISA - ein europäisches Projekt zur FEM-basierten Traglast- und Einspielanalyse T1 - LISA - a European project for FEM-based limit and shakedown analysis N2 - Traglast- und Einspielanalysen sind vereinfachte doch exakte Verfahren der Plastizität, die neben ausreichender Verformbarkeit keine einschränkenden Voraussetzungen beinhalten. Die Vereinfachungen betreffen die Beschaffung der Daten und Modelle für Details der Lastgeschichte und des Stoffverhaltens. Anders als die klassische Behandlung nichtlinearer Probleme der Strukturmechanik führt die Methode auf Optimierungsprobleme. Diese sind bei realistischen FEM-Modellen sehr groß. Das hat die industrielle Anwendung der Traglast- und Einspielanalysen stark verzögert. Diese Situation wird durch das Brite-EuRam Projekt LISA grundlegend geändert. In LISA entsteht auf der Basis des industriellen FEM-Programms PERMAS ein Verfahren zur direkten Berechnung der Tragfähigkeit duktiler Strukturen. Damit kann der Betriebsbereich von Komponenten und Bauwerken auf den plastischen Bereich erweitert werden, ohne den Aufwand gegenüber elastischen Analysen wesentlich zu erhöhen. Die beachtlichen Rechenzeitgewinne erlauben Parameterstudien und die Berechnung von Interaktionsdiagrammen, die einen schnellen Überblick über mögliche Betriebsbereiche vermitteln. Es zeigt sich, daß abhängig von der Komponente und ihren Belastungen teilweise entscheidende Sicherheitsgewinne zur Erweiterung der Betriebsbereiche erzielt werden können. Das Vorgehen erfordert vom Anwender oft ein gewisses Umdenken. Es werden keine Spannungen berechnet, um damit Sicherheit und Lebensdauer zu interpretieren. Statt dessen berechnet man direkt die gesuchte Sicherheit. Der Post-Prozessor wird nur noch zur Modell- und Rechenkontrolle benötigt. Das Vorgehen ist ähnlich der Stabilitätsanalyse (Knicken, Beulen). Durch namhafte industrielle Projektpartner werden Validierung und die Anwendbarkeit auf eine breite Palette technischer Probleme garantiert. Die ebenfalls in LISA entwickelten Zuverlässigkeitsanalysen sind nichlinear erst auf der Basis direkter Verfahren effektiv möglich. Ohne Traglast- und Einspielanalyse ist plastische Strukturoptimierung auch heute kaum durchführbar. Auf die vorgesehenen Erweiterungen der Werkstoffmodellierung für nichtlineare Verfestigung und für Schädigung konnte hier nicht eingegangen werden. Es herrscht ein deutlicher Mangel an Experimenten zum Nachweis der Grenzen zwischen elastischem Einspielen und dem Versagen durch LCF oder durch Ratchetting. KW - Einspielen KW - Traglast KW - Finite-Elemente-Methode KW - LISA KW - limit analysis KW - shakedown analysis Y1 - 1999 ER - TY - CHAP A1 - Heitzer, M. A1 - Staat, Manfred T1 - Direct FEM approach to design-by-analysis of pressurized components N2 - Abstracts of the ACHEMA 2000 - International Meeting on Chemical Engineering, Environmental Protection and Biotechnology, May 22 - 27, 2000. Frankfurt am Main. Achema 2000 : special edition / Linde. [Ed.: Linde AG. Red.: Volker R. Leski]. - Wiesbaden : Linde AG, 2000. - 56 p. : Ill., . - pp: 79 - 81 N2 - Abstracts der ACHEMA 2000 - International Meeting on Chemical Engineering, Environmental Protection and Biotechnology, May 22 - 27, 2000. Frankfurt am Main. KW - Finite-Elemente-Methode KW - Finite-Elemente-Methode KW - limit analysis KW - shakedown analysis Y1 - 2000 ER - TY - JOUR A1 - Staat, Manfred T1 - Basis Reduction for the Shakedown Problem for Bounded Kinematic Hardening Material N2 - Limit and shakedown analysis are effective methods for assessing the load carrying capacity of a given structure. The elasto–plastic behavior of the structure subjected to loads varying in a given load domain is characterized by the shakedown load factor, defined as the maximum factor which satisfies the sufficient conditions stated in the corresponding static shakedown theorem. The finite element dicretization of the problem may lead to very large convex optimization. For the effective solution a basis reduction method has been developed that makes use of the special problem structure for perfectly plastic material. The paper proposes a modified basis reduction method for direct application to the two-surface plasticity model of bounded kinematic hardening material. The considered numerical examples show an enlargement of the load carrying capacity due to bounded hardening. KW - Finite-Elemente-Methode KW - Einspielen KW - Basis Reduktion KW - konvexe Optimierung KW - FEM KW - Druckgeräte KW - Basis reduction KW - Convex optimization KW - FEM KW - Shakedown analysis Y1 - 2000 ER - TY - JOUR A1 - Staat, Manfred T1 - Direct FEM Limit and Shakedown Analysis with Uncertain Data N2 - The structural reliability with respect to plastic collapse or to inadaptation is formulated on the basis of the lower bound limit and shakedown theorems. A direct definition of the limit state function is achieved which permits the use of the highly effective first order reliability methods (FORM) is achieved. The theorems are implemented into a general purpose FEM program in a way capable of large-scale analysis. The limit state function and its gradient are obtained from a mathematical optimization problem. This direct approach reduces considerably the necessary knowledge of uncertain technological input data, the computing time, and the numerical error, leading to highly effective and precise reliability analyses. KW - Finite-Elemente-Methode KW - Einspielen KW - FEM KW - Einspielanalyse KW - shakedown KW - limit load KW - reliability analysis KW - FEM KW - direct method Y1 - 2000 ER - TY - JOUR A1 - Staat, Manfred T1 - LISA - a European project for FEM-based limit and shakedown analysis N2 - The load-carrying capacity or the safety against plastic limit states are the central questions in the design of structures and passive components in the apparatus engineering. A precise answer is most simply given by limit and shakedown analysis. These methods can be based on static and kinematic theorems for lower and upper bound analysis. Both may be formulated as optimization problems for finite element discretizations of structures. The problems of large-scale analysis and the extension towards realistic material modelling will be solved in a European research project. Limit and shakedown analyses are briefly demonstrated with illustrative examples. KW - Einspielen KW - Traglast KW - Finite-Elemente-Methode KW - Traglastanalyse KW - Einspielanalyse KW - FEM KW - limit analysis KW - shakedown analysis Y1 - 2001 ER - TY - JOUR A1 - Staat, Manfred T1 - Local and global collapse pressure of longitudinally flawed pipes and cylindrical vessels N2 - Limit loads can be calculated with the finite element method (FEM) for any component, defect geometry, and loading. FEM suggests that published long crack limit formulae for axial defects under-estimate the burst pressure for internal surface defects in thick pipes while limit loads are not conservative for deep cracks and for pressure loaded crack-faces. Very deep cracks have a residual strength, which is modelled by a global collapse load. These observations are combined to derive new analytical local and global collapse loads. The global collapse loads are close to FEM limit analyses for all crack dimensions. KW - Finite-Elemente-Methode KW - Grenzwertberechnung KW - Axialbelastung KW - FEM KW - Grenzwertberechnung KW - Axialbelastung KW - Traglastanalyse KW - Limit analysis KW - Global and local collapse KW - Axially cracked pipe KW - Pressure loaded crack-face Y1 - 2005 ER -