Predicting structural behaviour of pressure vessels using large scale meta-modelling applied to plug type heat exchanger header boxes
Date
2017-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Plug type header boxes are predominantly designed according to the American
Society of Mechanical Engineers’ Boiler and Pressure Vessel Code. The two design methods most often employed from this code are ‘Design by Rule’ from Division 1 of the code and ‘Design by Analysis’ from Division 2 Part 5.
While ‘Design by Rule’ is relatively simple to implement and relies only on a set of hand calculations which produce immediate results, it is widely known
to be conservative. ‘Design by Analysis’ on the other hand relies on finite element analysis, which yields more accurate results, but is more costly and time consuming.
In this study a new analysis tool was developed in the form of a metamodel, based on finite element results, which predicts the structural behaviour for various plug type header boxes. The purpose of this tool is to provide a designer with real time predictions of the stresses in a header box, as is the case for ‘Design by Rule’, but with accuracy similar to a finite element analysis.
In order to achieve this goal, a software tool set was developed which automates the process of setting up, simulating and post-processing the results of a
finite element analysis. This made it possible to generate numerical results on a large scale, in order to collect enough data to train an accurate meta-model.
Using this tool set, a number of less complex meta-models were initially created to test the approach and refine the procedure employed. These tests were performed using very large training sets and showed that high (4th and 5th)
order response surface models were required to accurately approximate the structural behaviour of plug type header boxes. The challenges associated
with fitting such high order response surfaces were addressed and these models were systematically scaled up in complexity until the final meta-model was
constructed.
The final meta-model achieved the desired goals of providing accurate stress
results, in real time, for a plug type header box. Designers can use this model
to search for optimal designs and identify what the structural effects are when
individual header box dimensions are changed. This will allow for detailed
insight to be gained of the structural behaviour of plug type header boxes in
a manner which has been unavailable in the past. The implications of such knowledge will expand the field of knowledge surrounding these pressure vessels
and open the door for the implementation of possible new design methods in the future.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Prop-tipe spruitstukhouers word oorwegend ontwerp volgens die ‘American Society of Mechanical Engineers’ se Ketel en Drukvat Kode. Die twee ontwerpmetodes van hierdie kode wat meer gereeld gebruik word is ‘Ontwerp deurmiddel van Reëls’ uit Afdeling 1 van die kode en ‘Ontwerp deur middel van Analise’ uit Afdeling 2 Deel 5 van die kode. Terwyl ‘Ontwerp deur middel van Reëls’ relatief eenvoudig is om te implementeer en slegs staatmaak op ‘n stel handberekeninge wat onmiddelike resultate verskaf, is dit algemeen bekend om konserwatief te wees. ‘Ontwerp deur middel van Analise’ maak egter staat op eindige element analise, wat akkurate resultate verskaf, maar duurder is en meer tyd in beslag neem. In hierdie studie word daar ‘n nuwe analise nutsmiddel ontwerp in die vorm van ‘n meta-model, wat gebaseer is op eindige element analise resultate, wat die strukturele gedrag van verskeie prop-tipe spruitstukhouers kan voorspel. Die doel van hierdie nutsmiddel is om ‘n ontwerper te voorsien van onmiddelike voorspellings van die spannings in ‘n spruitstukhouer, soos die geval is met ‘Ontwerp deur middel van Reëls’, maar met akkuraatheid gelykstaande aan eindige element analise. Om hierdie doel te bereik is ‘n stel sagteware ontwerp wat die proses outomatiseer waardeur eindige element analise opstelling, analisering en resultaatverwerking plaasvind. Hierdie sagteware maak dit moontlik om grootskaalse numeriese resultate te genereer, om sodoende genoeg data te versamel waarmee akkurate meta-modelle ingestel kan word. Met behulp van hierdie sagteware is ‘n aantal minder komplekse metamodelle aanvanklik geskep om die beplande benadering te toets en die prosedures wat gebruik word te verfyn. Hierdie toetse is uitgevoer met baie groot opleidingstelle en het gewys dat hoë (4de en 5de) orde polinoom-oppervlakmodelle benodig word om die stukturele gedrag van prop-tipe spruitstukhouers akkuraat te benader. Die uitdagings wat verband hou met die passing van sulke hoë orde polinoom-oppervlakke is aangespreek en hierdie modelle is stelselmatig in verhouding vergroot in kompleksiteit totdat die finale meta-model gebou is. Die finale meta-model het die gewenste doelwit om onmiddelike, akkurate spanningsresultate vir ‘n prop-tipe spruitstukhouer te voorspel bereik. Ontwerpers kan hierdie model gebruik om te soek vir optimale ontwerpe en om te bepaal wat die strukturele effek is wanneer individuele spruitstukhouer mates verander word. Dit sal toelaat dat gedetailleerde insig opgebou kan word oor die strukturele gedrag van prop-tipe spruitstukhouers op ‘n manier wat nie in die verlede beskikbaar was nie. Die implikasie van sulke kennis sal die veld van kennis rondom hierdie drukvate verbreed en die deur oopmaak vir die toepassing van moonlike nuwe ontwerpmetodes in die toekoms.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Prop-tipe spruitstukhouers word oorwegend ontwerp volgens die ‘American Society of Mechanical Engineers’ se Ketel en Drukvat Kode. Die twee ontwerpmetodes van hierdie kode wat meer gereeld gebruik word is ‘Ontwerp deurmiddel van Reëls’ uit Afdeling 1 van die kode en ‘Ontwerp deur middel van Analise’ uit Afdeling 2 Deel 5 van die kode. Terwyl ‘Ontwerp deur middel van Reëls’ relatief eenvoudig is om te implementeer en slegs staatmaak op ‘n stel handberekeninge wat onmiddelike resultate verskaf, is dit algemeen bekend om konserwatief te wees. ‘Ontwerp deur middel van Analise’ maak egter staat op eindige element analise, wat akkurate resultate verskaf, maar duurder is en meer tyd in beslag neem. In hierdie studie word daar ‘n nuwe analise nutsmiddel ontwerp in die vorm van ‘n meta-model, wat gebaseer is op eindige element analise resultate, wat die strukturele gedrag van verskeie prop-tipe spruitstukhouers kan voorspel. Die doel van hierdie nutsmiddel is om ‘n ontwerper te voorsien van onmiddelike voorspellings van die spannings in ‘n spruitstukhouer, soos die geval is met ‘Ontwerp deur middel van Reëls’, maar met akkuraatheid gelykstaande aan eindige element analise. Om hierdie doel te bereik is ‘n stel sagteware ontwerp wat die proses outomatiseer waardeur eindige element analise opstelling, analisering en resultaatverwerking plaasvind. Hierdie sagteware maak dit moontlik om grootskaalse numeriese resultate te genereer, om sodoende genoeg data te versamel waarmee akkurate meta-modelle ingestel kan word. Met behulp van hierdie sagteware is ‘n aantal minder komplekse metamodelle aanvanklik geskep om die beplande benadering te toets en die prosedures wat gebruik word te verfyn. Hierdie toetse is uitgevoer met baie groot opleidingstelle en het gewys dat hoë (4de en 5de) orde polinoom-oppervlakmodelle benodig word om die stukturele gedrag van prop-tipe spruitstukhouers akkuraat te benader. Die uitdagings wat verband hou met die passing van sulke hoë orde polinoom-oppervlakke is aangespreek en hierdie modelle is stelselmatig in verhouding vergroot in kompleksiteit totdat die finale meta-model gebou is. Die finale meta-model het die gewenste doelwit om onmiddelike, akkurate spanningsresultate vir ‘n prop-tipe spruitstukhouer te voorspel bereik. Ontwerpers kan hierdie model gebruik om te soek vir optimale ontwerpe en om te bepaal wat die strukturele effek is wanneer individuele spruitstukhouer mates verander word. Dit sal toelaat dat gedetailleerde insig opgebou kan word oor die strukturele gedrag van prop-tipe spruitstukhouers op ‘n manier wat nie in die verlede beskikbaar was nie. Die implikasie van sulke kennis sal die veld van kennis rondom hierdie drukvate verbreed en die deur oopmaak vir die toepassing van moonlike nuwe ontwerpmetodes in die toekoms.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2017.
Keywords
Pressure vessels, Metal manufacturing, Steam-boilers, UCTD, Pressure vessels -- Design and construction, Computer models