WebBNR_YII2021_RU_728x90_1021
5 - 2005

Расширение области применения модуля прочностного анализа и расчета APM Structure3D

Александр Замрий

Новые возможности модуля APM Structure3D

Использование в конструкциях нелинейных элементов

Возможность задания нагрузок в виде ускорений

Автоматизированное проектирование типовых узлов металлоконструкций

В течение последнего года свое дальнейшее развитие получил модуль APM Structure3D — один из наиболее динамично развивающихся и востребованных модулей, входящих в состав CAD/CAE-системы APM WinMachine. Этот модуль предназначен для анализа напряженно-деформированного состояния произвольных трехмерных конструкций и использует метод конечных элементов.

Новые возможности модуля APM Structure3D

В последнее время в модуль были добавлены следующие возможности:

1. Выполнение геометрического нелинейного расчета — добавлены такие типы элементов, как канаты, работающие только на растяжение, ферменные элементы, работающие на растяжение-сжатие, а также возможность задания предварительного напряжения в элементах конструкции (канатах, фермах, балках).

2. Тепловые расчеты, которые успешно сочетаются с прочностным расчетом и позволяют произвести комплексный расчет конструкции с учетом температурных воздействий (задача термоупругости), вследствие чего могут быть решены задачи:

• стационарной теплопроводности, позволяющей получить поле распределения температур в любых произвольных точках конструкции;

• определения НДС конструкции при известных значениях температур в характерных точках отдельных элементов (в том числе стержневых) трехмерной конструкции.

3. Расширение интеграции модуля прочностного расчета APM Structure3D с 3D-моделировщиком APM Studio. Теперь у пользователя есть возможность приложить силовые факторы и организовать закрепление каких-либо ее участков непосредственно на трехмерной модели, поверхностной или твердотельной (рис. 1), разбить ее на конечные элементы и, экспортируя такую модель в модуль APM Structure3D, произвести его расчет на НДС (рис. 2 и 3).

4. Задание нагрузок в виде ускорений — предусмотрен учет сил инерции при поступательном и вращательном ускоренном движении, а также центростремительное ускорение.

5. Возможность освобождения связей в узлах стержневой конструкции — реализована математическая модель, позволяющая для какого-либо элемента узла задать аналог шарнира (разрешить поворот вокруг какой-либо оси) или аналог ползуна (разрешено смещение вдоль какой-либо оси), допускается и комбинация шарниров с ползунами. При освобождении от каких-либо связей элементы узла не получают дополнительной степени свободы, но имеется возможность освободиться от силовых факторов, действующих в каком-либо направлении (например, балка, лежащая поперек другой балки без их соединения между собой).

6. Библиотека стандартных сечений — добавлены все виды проката, выпускаемого на предприятиях России и стран СНГ.

7. Изменение принципов назначения материала для элементов конструкции пользователем, что обеспечивает более удобное задание типа материала для элементов конструкции для пользователя и оперативного контроля материала конкретного элемента конструкции в специальном окне.

8. Создание параметрических моделей типовых узлов соединения стержневых элементов в металлоконструкциях, вследствие чего пользователь имеет возможность после расчета конструкции выполнить проектирование конкретного узла:

• выбрать тип соединения стержневых элементов в узел;

• назначить способ соединения элементов, с помощью которых будет производиться соединение (заклепки, болты, сварка и т.п.), указав расположение болтов и заклепок или конфигурацию и значение катета сварного шва;

• произвести проверку необходимых параметров узла на соответствие СНиП;

• получить чертеж спроектированного узла в автоматическом режиме.

Рассмотрим некоторые из этих дополнений и изменений более подробно.

В начало В начало

Использование в конструкциях нелинейных элементов

Моделировать нелинейные элементы конструкции целесообразно в тех случаях, когда эти элементы (стержни, пластины) имеют большую гибкость, вследствие чего перемещения отдельных частей таких элементов конструкций не могут считаться малыми. Перемещения элементов в реальной конструкции вызывают появление дополнительных силовых факторов (как правило, моментов), которые не учитываются при проведении статического расчета.

Частично учет конечных перемещений и возникающих в результате дополнительных силовых факторов был уже реализован при проведении деформационного расчета, при котором учитывается влияние осевых составляющих компонентов нагрузок на элементы конструкции. Использование же нелинейных элементов при расчете позволяет учитывать влияние не только дополнительных силовых факторов, как при деформационном расчете, но и других факторов, возникающих при изменении формы такого элемента.

На рис. 4 изображено сечение пластины, левый край которой защемлен, а правый край имеет возможность смещения в вертикальном направлении под действием приложенной нагрузки. Если проводить статический расчет для такой пластины, то напряжения, возникающие в направлении оси X пластины, будут нулевыми — из-за линейной постановки задачи. Однако использование нелинейного расчета позволяет построить более адекватную модель и получить возможность определить и напряжения, возникающие в направлении оси Х .

В строительных конструкциях весьма часто применяются гибкие упругие элементы с нелинейной характеристикой жесткости — канаты. Главными особенностями таких элементов являются их способность воспринимать только растягивающую нагрузку и значительная нелинейность зависимости силы натяжения от величины перемещения. В расчетах данные элементы рассматриваются как гибкие нити с шарнирным закреплением и распределенной поперечной нагрузкой по длине. На рис. 5 представлена расчетная схема каната, находящегося под действием силы тяжести. Под действием этой силы в канате возникают осевые усилия, но, кроме того, в канате может быть задано предварительное напряжение.

В канате, который моделируется гибкой нитью, возникает только один силовой фактор — осевая сила, а поперечная нагрузка приводит к изменению геометрии самого элемента, то есть в процессе нагружения исходная прямолинейная форма каната не сохраняется.

Основная задача расчета гибких элементов конструкции заключается в нахождении силы в зависимости от таких параметров, как длина хорды, геометрические характеристики сечения, свойства материала, начальная длина (без нагрузки), величина внешней распределенной нагрузки.

В линейном (статическом) расчете принимается, что длина хорды равна расстоянию между узлами недеформированной конструкции. Такая постановка задачи вносит некоторую погрешность в результат, однако позволяет получить начальное приближение для определения напряженно-деформированного состояния конструкции после однократного решения системы вида Kx = F . Все вышесказанное справедливо при решении задач, в которых исходными данными является длина ненагруженного каната, а усилие натяжения требуется определить.

Данная задача может быть решена в модуле APM Structure3D в нелинейной постановке. В этом случае используется итерационный метод расчета. При каждой новой итерации вычисляется новая длина хорды и определяются усилия в канате. Окончанием итерационного процесса служит достижение заданной точности сходимости ряда значений.

В тех случаях, когда в качестве исходного параметра выступает усилие натяжения в канате, для расчета напряженно-деформированного состояния такой конструкции оказывается достаточно простого статического расчета.

В модуле APM Structure3D у пользователя имеется возможность выбора способа задания исходных данных для расчета конструкций с канатами: заданием исходной длины каната вместе с усилием предварительного натяжения, или заданием относительного удлинения и предварительного напряжения.

На рис. 6 приведена исходная модель вышки с растяжками на тросах, у которых задано предварительное натяжение, а на рис. 7 — карта напряжений в конструкции вышки с растяжками.

В начало В начало

Возможность задания нагрузок в виде ускорений

В версии 8.5 модуля APM Structure3D реализована возможность учета инерционных сил, возникающих при ускоренном поступательном и вращательном движении тел. К тому же, при вращении тела учитывается не только угловое ускорение тела, но и центростремительные ускорения. Для задания такой нагрузки следует указать направление и величину линейного ускорения или направление оси вращения и величины угловой скорости и ускорения. Отметим, что при задании нагрузок в виде ускорений производится приложение соответствующих статических нагрузок к элементам конструкции.

В качестве примера такого расчета рассмотрим маховик, вращающийся со скоростью 10 000 об./мин, установленный на летательном аппарате, который испытывает допустимую перегрузку до 20g. Твердотельная модель маховика была создана в трехмерном редакторе APM Studio, заданы закрепления, и в этом же модуле произведено разбиение на конечные элементы (которое может быть равномерным или адаптивным), затем конечно-элементная сетка импортирована в модуль прочностного расчета APM Structure3D. На рис. 8 представлена карта напряжений такого маховика.

В начало В начало

Автоматизированное проектирование типовых узлов металлоконструкций

В новой версии модуля APM Structure3D реализовано автоматизированное проектирование узлов металлоконструкций со стержневыми элементами с возможностью генерацией их чертежей в автоматическом режиме. После проведения прочностного расчета металлоконструкции пользователь для проектирования конкретного узла должен выбрать узел конструкции и соединение стержней, который он хочет спроектировать в автоматизированном режиме.

Далее пользователю следует выбрать один из стандартных типов соединения (встык, с дополнительной пластиной и т.п.) и способ соединения элементов (сварка, болтовое соединение, заклепки и т.п.), и тогда соответствующая параметрическая модель узла откроется в плоском графическом редакторе APM Graph (рис. 9). При этом будет предложен один из вариантов задания поперечных сечений стержней, входящих в узел и взятых из рассчитанной модели, с сохранением их углов поворота. Пользователь имеет возможность изменить в случае необходимости этот порядок.

После открытия параметрической модели для проведения расчета должны быть дополнительно заданы:

• конфигурация и толщина пластины, расстояние от крайних точек профилей до характерных точек пластины;

• расположение болтов или заклепок, а также их диаметр и материал;

• конфигурация и катет сварного шва и т.п.

Указанные параметры вводятся в параметрическую модель выбранного типа узла, и в процессе отрисовки этого соединения выполняется проверка выбранных параметров соединения на соответствие СНиП. В случае несоответствия какому-то из требований выдается соответствующее сообщение. После завершения расчета узла пользователь имеет возможность получить чертеж спроектированного узла в автоматическом режиме.

В заключение хотелось бы отметить, что эти и другие возможности модулей, входящих в состав системы APM WinMachine, во многом подсказаны нашими пользователями на основе тех задач, которые им приходится решать. Со своей стороны, компания НТЦ АПМ делает все возможное, чтобы в полной мере удовлетворить эти требования — мы открыты для всех предложений!

Александр Замрий

Менеджер НТЦ АПМ.

В начало В начало

«САПР и графика» 5'2005