ККЛ ИЗО. Конспект лекций. Саморядов С. В. Маси. М. 2017. с. 138, ил таб
 Скачать 4.07 Mb.
|
|
ТЕМА 5. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ 5.1 Современные системы САПР В настоящее время САПР представлены большим количеством различных ПК, предназначенных для определенных строительных отраслей – машиностроение, проектирование зданий и сооружений и т. п. Наиболее распространенным и функциональным является графическая среда AutoCad, подходящая для большинства графических задач строительства. AutoCad – многооконная САПР, позволяющая работать одновременно с несколькими файлами, в том числе и совместно. При помощи AutoCad можно выполнять любые чертежи, в том числе и объемные (3D графика), экспортировать файлы в другие ПК и многое другое. Алгоритм создания графических файлов в целом аналогичен работе с другими приложениями: создается новый файл, выполняется определенный набор команд, позволяющий работать с графическими примитивами. Результатом работы является лист или модель, содержащий в себе графическую информацию. При оформлении графической части в AutoCad необходимо стремится к тому, чтобы чертежи были читаемы, выполнены в едином стиле, заполненность листа была максимальной, а отдельные части чертежа (планы, разрезы, узлы, фрагменты) были равномерно распределены по всему листу. Кроме того, должны быть соблюдены все требования ГОСТ 21.1101-2009 "СПДС. Основные требования к проектной и рабочей документации". Для повышения удобства работы с чертежами рекомендуется использовать различные слои, которые позволяют отделить одни графические примитивы от других. Рекомендуется выделять в отдельные в отдельные слои оси, размеры, основные конструктивные элементы (перегородки, несущие стене, колонны, фундаменты и т. п.). 47 В процессе освоения программы AutoCAD, каждый пользователь может настроить интерфейс наиболее удобным для него образом и, соответственно, повысить производительность труда. 5.2 Системы сквозного проектирования Autodesk Revit Structure – это специализированное решение для проектирования и расчета строительных конструкций. Autodesk Revit Structure помогает оптимизировать строительные конструкции, координируя проект с документацией и обеспечивая двустороннюю связь с расчетными программами. AutoCAD Structural Detailing представляет собой мощное решение для быстрой и эффективной деталировки и создания рабочих чертежей стальных и железобетонных конструкций. AutoCAD Revit Structure Suite помогает коллективам проектировщиков ускорить работу и выпускать документацию к строительным конструкциям более высокого качества. 5.3 Программный комплекс ЛИРА (ПК ЛИРА) Программный комплекс ЛИРА (ПК ЛИРА) – это многофункциональный программный комплекс для расчета, исследования и проектирования конструкций различного назначения. ПК ЛИРА с успехом применяется в расчетах объектов строительства, машиностроения, мостостроения, атомной энергетики, нефтедобывающей промышленности и во многих других сферах, где актуальны методы строительной механики. Программные комплексы семейства ЛИРА имеют более чем 40- летнюю историю создания, развития и применения в научных исследованиях и практике проектирования конструкций. Программные комплексы семейства ЛИРА непрерывно совершенствуются и приспосабливаются к 48 новым операционным системам и графическим средам. Новейшим представителем семейства ЛИРА является ПК ЛИРА, версия 9.0. Кроме общего расчета модели объекта на все возможные виды статических нагрузок, температурных, деформационных и динамических воздействий (ветер с учетом пульсации, сейсмические воздействия и т. п. Tj/F1+1) ПК ЛИРА автоматизирует ряд процессов проектирования: определение расчетных сочетаний нагрузок и усилий, назначение конструктивных элементов, подбор и проверка сечений стальных и железобетонных конструкций с формированием эскизов рабочих чертежей колонн и балок. ПК ЛИРА позволяет исследовать общую устойчивость рассчитываемой модели, проверить прочность сечений элементов по различным теориям разрушений. ПК ЛИРА предоставляет возможность производить расчеты объектов с учетом физической и геометрической нелинейностей, моделировать процесс возведения сооружения с учетом монтажа и демонтажа элементов. ПК ЛИРА состоит из нескольких взаимосвязанных информационных систем. Система ЛИР-ВИЗОР – это единая графическая среда, которая располагает обширным набором возможностей и функций: - для формирования адекватных конечно-элементных и супер- элементных моделей рассчитываемых объектов; - для подробного визуального анализа и корректировки созданных моделей; - для задания физико-механических свойств материалов, связей, разнообразных нагрузок, характеристик различных динамических воздействий; - а также взаимосвязей между загружениями при определении их наиболее опасных сочетаний. 49 Возможности, предоставляемые по результатам расчета при отображении напряженно-деформированного состояния объекта, позволяют произвести детальный анализ полученных данных: - по изополям перемещений и напряжений; - по эпюрам усилий и прогибов; - по мозаикам разрушения элементов; - по главным и эквивалентным напряжениям; - по многим другим параметрам. ЛИР-ВИЗОР предоставляет исчерпывающую информацию по всему объекту и по его элементам. ЛИР-ВИЗОР позволяет вести общение с комплексом на русском и английском языках, причем замена языка может осуществляться на любой стадии работы с комплексом. ЛИР-ВИЗОР дает возможность использовать любую действующую систему единиц измерения как при создании модели, так и при анализе результатов расчета. Система СЕЧЕНИЕ позволяет в специализированной графической среде сформировать сечения произвольной конфигурации, вычислить их осевые, изгибные, крутильные и сдвиговые характеристики. Кроме того, предоставляется возможность вычисления секториальных характеристик сечений, координат центров изгиба и кручения, моментов сопротивления, а также определения формы ядра сечения. При наличии усилий в заданном сечении производится отображение картины распределения текущих, главных и эквивалентных напряжений, соответствующих различным теориям прочности. РАСЧЕТНЫЙ ПРОЦЕССОР реализует современные усовершенствованные методы решения систем уравнений, обладающие высоким быстродействием и позволяющие решать системы с очень большим числом неизвестных. 50 В расчетном процессоре содержится обширная БИБЛИОТЕКА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, которая позволяет создавать адекватные расчетные моделипрактически без ограничений на реальные свойства рассчитываемых объектов. Приэтом возможны задание линейных и нелинейных законов деформирования материалов,учет геометрической нелинейности с нахождением формы изначально изменяемыхсистем, а также учет конструктивной нелинейности. Реализованы законыдеформирования различных классов железобетона. При расчетах нелинейных задач производится автоматический выбор шага нагружения с учетом его истории. Возможности процессора позволяют смоделировать поведение сооружения в процессе возведения при многократном изменении расчетной схемы. Система УСТОЙЧИВОСТЬ дает возможность произвести проверку общей устойчивости рассчитываемого сооружения с определением коэффициента запаса и формы потери устойчивости. Система ЛИТЕРА реализует вычисление главных и эквивалентных напряжений по различным теориям прочности. Система ФРАГМЕНТ позволяет определить силы воздействия одного фрагмента рассчитываемого сооружения на другой как нагрузку. В частности, могут быть определены нагрузки, передаваемые наземной частью расчетной схемы на фундаменты. Конструирующая система ЛИР-АРМ реализует подбор площадей сечения арматуры колонн, балок, плит и оболочек по первому и второму предельным состояниям в соответствии с действующими в мире нормативами. Существует возможность задания произвольных характеристик бетона и арматуры, что имеет большое значение при расчетах, связанных с реконструкцией сооружений. Система позволяет объединять несколько однотипных элементов в конструктивный элемент, что позволяет производить увязку арматуры по длине всего конструктивного элемента. 51 Система может функционировать в локальном режиме, осуществляя как подбор арматуры, так и проверку заданного армирования для одного элемента. По результатам расчета формируются чертежи балок и колонн, а также создаются dxf-файлы чертежей. Конструирующая система ЛИР-СТК работает в двух режимах – подбора сечений элементов стальных конструкций, таких как фермы, колонны и балки, и проверки заданных сечений в соответствии с действующими в мире нормативами. Допускается объединение нескольких однотипных элементов в конструктивный элемент. Система может функционировать в локальном режиме, позволяя проверить несколько вариантов при конструировании требуемого элемента. Система СОРТАМЕНТ, которая информационно связана с ЛИР-СТК, позволяет производить редактирование используемой сортаментной базы прокатных и сварных профилей. Система ДОКУМЕНТАТОР предназначена для формирования отчетов по результатам работы с комплексом. При этом вся информация может быть представлена как в табличном, так и в графическом виде. Табличный и графический разделы необходимой для отчета информации могут быть размещены совместно на специально организуемых для этой цели листах и снабжены комментариями и надписями. Кроме того, табличная информация может быть передана в Microsoft Excel, а графическая – в Microsoft Word. Реализован вывод таблиц в формате HTML. ПК ЛИРА поддерживает информационную связь с другими широко распространенными CAD-системами, такими как AutoCAD, ArchiCAD, HyperSteel, Allplan, ФОК-ПК и др. ПК ЛИРА располагает широкой системой контекстной справки, содержащей полную информацию обо всех компонентах комплекса, правилах и порядке работы с ними. 52 5.4 Общие положения метода конечных элементов Теоретической основой ПК ЛИРА является метод конечных элементов (МКЭ), реализованный в форме перемещений. Выбор именно этой формы объясняется простотой ее алгоритмизации и физической интерпретации, наличием единых методов построения матриц жесткости и векторов нагрузок для различных типов конечных элементов, возможностью учета произвольных граничных условий и сложной геометрии рассчитываемой конструкции. 5.4.1 Общая последовательность решения задач с использованием ПК Для создания геометрически неизменяемой расчетной схемы и запуска решения задачи необходимо в режиме «Создания расчетной схемы» ввести следующие основные данные: 1) определить число степеней свободы; 2) создать геометрические элементы, определяющие топологию расчетной схемы (стержневые и пластинчатые КЭ, жесткие вставки, шарниры); 3) установить связи на узлы расчетной схемы, моделирующие опирание на основание (фундаменты); 4) определить механические параметры материалов и габариты поперечных сечений элементов расчетной схемы; 5) задать внешние нагрузки (в том числе собственный вес) и разгруппировать их по загружениям; 6) упаковать расчетную схему. Порядок задания данных после 2 пункта может быть произвольным. Упаковку расчетной схемы необходимо выполнять при изменении количества узлов или элементов при их редактировании. При отсутствии любого выше перечисленных пунктов (иногда кроме 6) в исходных данных сделает решение задачи в программном комплексе невозможным. 53 Построение конечно-элементной модели, также как и любой расчетной схемы, начинается с идеализации конструкции. Этот этап настолько привычен и естественен для инженера, что, как правило, он выполняется подсознательно, хотя полезно иногда осмыслить выполняемые действия» Еот основные составляющие этого этапа: Идеализация геометрии - назначение основных размеров, которые могут несколько отличаться от натурных с целью придания возможной регулярности для сокращения задания исходной информации и дальнейшего обеспечения анализа результатов; в случае принятия стержневой или пластинчатой схемы - замена стержней на «проволочную» систему, а пластин на плоскостную систему, не имеющую поперечных размеров (здесь также возможны отступления, допустимость которых определяет инженер, принятые оси стержней и пластин могут не совпадать с их нейтральными плоскостями), различные конструктивные включения (например, консоли) могут быть проигнорированы ими. Идеализация нагрузки - существует мнение, что правая часть в неравенстве несущая способность > нагрузка изучена значительно меньше, чем левая часть. Такое мнение, по крайней мере, оченьупрощено. Во- первых, левая часть зависит от значительно большего количества факторов (свойства материала, геометрия, конструктивные решения и мн. др.). Во- вторых, нагрузкибывают разные - хорошо или слабо поддающиеся изучению. Например, что может бытьлучше изученным, чем погрузка от собственного веса, в то же время можно ли вообще врамках детерминистического полхода адекватно представить нагрузки от ветрового илисейсмического воздействия, которые носят ярко выраженный вероятностный характер. Такие различные степени изученности ширузок находят отражение в строительных нормах в различных значениях коэффициентов надежное™: Для хороню изученных нагрузок он невелик (для собственного веса - 1.1), 54 для слабоизученных - он имеет большее значение (например, для ветровой нагрузки - 1.4). Во всяком случае, понимая, что степень идеализации нагрузки различна, инженер должен по-разному строить свои размышления: если в нагрузке превалирует собственный вес, он может 1 ограничиться традиционными подходами, если превалирует слабо изученная нагрузка он доложен стремиться получать как можно больше информации различных расчетных схем (несколько расчетных схем моделирующих те или иные свойства конструкции, расчет по деформированной расчетной схеме, учет физической и геометрической нелинейности, если динамическая составляющая воздействия существенна - использование современных методов прямого интегрирования и т. д.), чтобы его размышления о надежности конструкции были как можно более информативными. Моделирование свойств материала В настоящее время наиболее распространена идеализация свойств материала, связанная с введением гипотезы о линейной упругости. Выше уже многократно указывалось, что введение такой тру Сой гипотезы лишает возможности моделирования различных очень важных факторов {перераспределение усилий и напряжений, моделирование процесса напряжений, моделирование процесса нагружения, приспособляемости конструкций и мн. др.). Потому, если инженер стремится глубже проникнуть в природу работы конструкции, он может принять гипотезу о нелинейной зависимости между напряжениями и деформациями. В настоящее время хорошо разработан и математически обоснован аппарат, основанный НА гипотезе нелинейной упругости (ветвь нагрузки и разгрузки совпадает) и гипотеза активного нагружения (при увеличении нагрузки увеличиваются деформации). Инженер, применяющий такой модельный аппарат должен понимать, 55 что это тоже идеализация свойств материала (не учитывается возможность несовпадения разрубочных и нагрузочных ветвей, не учитывается возможность уменьшения деформаций и перемещений в отдельных областях конструкции при увеличении- нагрузки и мн. др.). Вместе с тем л отличии от очень по современным меркам грубой гипотезы о линейной упругости этот аппарат может дать массу полезнейшей информации для размышления над обеспечением прочности и надежности конструкции. Идеализация конструктивных реп гений во многих случаях связана с идеализацией геометрии. Однако, в ряде случаев она имеет самостоятельное значение. В природе не существует ни «чистых» шарниров, ни «абсолютно жесткого» соединения элементов. Поэтому, проектировщик должен принять решение о то, как идеал тировать отдельные конструктивные узлы, чтобы максимально адекватно смоделировать их действительную работу. Важным вопросом идеализации является принятые решении о возможности расчета по деформированной схеме. Рамы, плиты, балки небольших пролетов, как правило, рассчитываются по недеформированной схеме. Тенты, мембраны, в актовые конструкции надо рассчитывать по деформированной схеме. Однако имеется целый ряд конструкций, дли которых изменение геометрии может существенно повлиять на напряженно- деформированное состояние и инженер в этом случае должен принять соответствующее решение. Вообще, вопрос идеализация конструктивных решении очень многозначен, и невозможно схватит это многообразие. Важно, чтобы инженер всегда понимал, что осуществляя построение компьютерной модели он идеализирует конструкцию и всегда должен оценивать адекватность этой идеализации. 56 Выбор типов конечных элементов и построение конечно- элементной сетки. При решении практических задач часто возникают вопросы, связанные с выбором типа элемента. Ведь для решения одной и той же задачи (например, изгиба плиты) существует целый набор конечных элементов, имеющих различные свойства. К сожалению, в программных комплексах могут встречаться конечные элементы, НЕ имеющие сходимости (конечный элемент плиты, треугольник Зенкевича и др.), т. е. при сгущении сетки как будто бы имеется сходимость к какому-то решению, но это решение может отстоять очень далеко от точного. Поэтому при использовании какого- либо программного комплекса пользователь должен убедиться, что для всех КЭ этого комплекса проведены исследования и получены оценки порядка сходимости по перемещениям и напряжениям. R таблице 4.1 приведены такого типа оценки для наиболее распространенных конечных элементов. 57 ТЕМА 6. МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ Моделированием называются исследования, проводимые на моделях или реальных установках с применением методов теории подобия при постановке и обработке результатов эксперимента. Подобными считают явления, у которых все параметры (полное подобие) или наиболее существенные (неполное подобие) отличаются от соответствующих параметров другого явления в определенное (постоянное) число раз, называемое масштабом. Признаками подобия явлений служат численно одинаковые критерии. Подобие явлений может быть физическим и математическим. В физически подобных явлениях все процессы имеют одинаковую физическую природу. При математически подобных явлениях процессы имеют различную физическую природу, но описываются одинаковыми уравнениями. Под моделями понимают установки, комбинации отдельных элементов или сумму логических представлений, воспроизводящих явления или группу явлений, подобных изучаемым. Модели подразделяют на математические (позволяющие реализовать математическое подобие), геометрические (дающие только геометрическое подобие без отражения природы происходящих явлений), физические модели (сохраняющие подобие основных физических процессов изучаемого явления). Метод моделирования один из наиболее рациональных, удобен и доступен для опытов и наблюдений, способствует экономии средств и материалов и сокращению времени, а также дает возможность проведения более глубоких и обширных экспериментальных исследований. Преимуществом этого метода является также возможность обобщения опытов, распространение полученных результатов не только на один 58 моделируемый образец, но и на целую группу явлений, устройств, подобных моделируемому образцу и воспроизводимых в разных масштабах. Моделирование строительных конструкций подразумевает экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния сооружения, выполненного в виде модели определенного масштаба. В зависимости от целей в процессе моделирования выявляют общую картину работы сооружения и его несущую способность и получают полные и подробные сведения о напряженно- деформированном состоянии. В соответствии с указанными целями разрабатывают методики исследований, во многом схожие с методиками исследования натурных конструкций. Метод моделирования может быть применен при изучении на моделях проектируемых сооружений для выбора оптимального проектного решения. Это дает возможность своевременно внести в проект коррективы, что сократит объем натурных испытаний. Особенно велика роль модельных испытаний сложных сооружений — пространственных конструкций, тонкостенных оболочек. Методы расчета их базируются на ряде гипотез, вводимых без определенного обоснования. Поэтому необходимо детальное изучение работы таких сооружений экспериментальным путем. При этом в начале производятся исследования моделей малого масштаба, уточняется и исправляется проект конструкции и затем выполняются исследования крупномасштабных моделей из материалов, тождественных натурным и геометрически подобных им. На этих моделях исследуется несущая способность сооружений или их напряженно-деформированное состояние. В зависимости от целей и методики могут моделироваться следующие параметры: - условия воздействия различных видов нагрузок на здания, сооружения (построение макета сооружения, на котором моделируются лишь контуры и характеристики внешних поверхностей); 59 - расчетные схемы зданий и сооружений для осуществления экспериментально-механических расчетов взамен теоретических; при этом моделью является механический прибор, автоматически решающий для данной схемы уравнения строительной механики; - элементы сооружений с целью выявления напряженного состояния по поверхности и в сечениях; - здания, сооружения для уточнения расчетных схем, характера трещинообразования и схемы разрушения; - здания и сооружений для выявления их действительной работы. Моделирование может быть физическим и математическим. Моделирование основано на подобии процессов и явлений, проте- кающих в разных агрегатах. С точки зрения физической природы моделируемых явлений раз- личают два вида подобия: 1) математическое (одинаковая форма уравнений, описывающих физически разнородные явления); 2) физическое (одинаковая физическая природа подобных явлений). По полноте соответствия модели натуре указанные виды подобия делятся: - абсолютное (требует тождества явлений); - полное (осуществляется во времени и пространстве); - неполное (во времени или в пространстве); - приближенное (связано с упрощающими допущениями, заведомо известными и оцениваемыми количественно). По природе явлений физическое подобие можно разделить: - механическое (сумма кинематического, материального и динами- ческого подобий); - газодинамическое, тепловое; - электрическое, физико-химическое и др. 60 Примерная классификация видов подобия при моделировании процессов приведена на рисунке 4. Таким образом, сущность инженерного моделирования состоит в том, что натурный объект на основе принципов теории подобия заменяется его аналогом-моделью. Теоретическая основа моделирования - теория подобия, которая устанавливает определенные соотношения между геометрическими разме- рами, свойствами материалов, нагрузками и деформациями модели и на- турной конструкции. Все виды подобия подчиняются трем теоремам: 1. Первая теорема указывает необходимые условия подобия и формулирует свойства подобных систем: явления или системы называются noдобными, если равны их соответствующие критерии подобия, составленные из параметров системы. 2. Вторая теорема подобия (π-теорема) доказывает возможность приведения уравнения процесса к критериальному виду: функциональная связь между характеризующими процесс величинами может быть пред- ставлена в виде зависимости между составленными из них критериями по- добия. 3. Третья теорема подобия показывает пределы закономерного рас- пространения единичного опыта: необходимыми и достаточными условиями подобия являются пропорциональность сходственных параметров, входящих в условия однозначности, а также равенство критериев подобия изучаемого в натуре и на модели явления. К условиям однозначности относятся не зависящие от механизма явления факторы системы: геометрические свойства; физические параметры; начальные условия; начальное состояние; граничные или краевые условия; взаимодействие с внешней средой. Если рассматриваются сложные, нелинейные или анизотропные системы, то необходимо соблюдать и ряд дополнительных положений. 61 Практические задачи моделирования На практике моделирование даст возможность очень эффективно решать большое число довольно сложных задач: 1. Выявить экспериментальным путем при минимальных затратах материала, трудоемкости и стоимости действительную картину распре- деления усилий во всех характерных сечениях и узловых сопряжениях эле- ментов конструкций. 2. Произвести экспериментальным путем анализ напряженного состояния сложного сооружении взамен аналитического расчета, когда ме- тоды строительной механики и теории упругости неприемлемы. 3. Проверить правильность гипотез, положенных в основу ана- литического расчета. 4. Уточнить расчетную схему сооружения. 5. Определить характер разрушения и разрушающую нагрузку. 6. Определить реальный запас прочности сооружения. 7. Установить влияние различных факторов на работу конструкции - свойств материалов, условий сопряжении, податливости основания и др. При этом для новых сложных и малоизученных сооружений исследование может вестись в несколько этапов: 1) расчет на ЭВМ с применением математического моделирования юн исследования маломасштабной модели (1/10... 1/20); 2) исследование крупномасштабной модели (1/2... 1/5); 3) натурные испытания сооружения или его отдельных узлов и элементов с практическим использованием либо физического, либо анало- гового, либо математического моделирования с применением поляризационно-оптических методов или голографических моделей. |