ANSYS и ANSYS/CivilFEM в строительстве
Компьютерное моделирование прочности и динамики строительных конструкций основано на методе конечных элементов (МКЭ), реализованном в программных комплексах. В отличие от машиностроения, энергетики и аэрокосмической промышленности, где широко распространены так называемые тяжелые универсальные зарубежные пакеты (ABAQUS, ANSYS, NASTRAN, COSMOS), в промышленном, гражданском и транспортном строительстве расчеты, как правило, проводятся специализированными пакетами («Лира», SCAD, MicroFE (Stark ES), Robot, СтаДиО и др.), разрабатываемыми в странах СНГ.
Несомненными достоинствами этих пакетов являются широкая практика применения, наличие сертификатов Госстроя, подтверждающих учет методик СНиП, умеренная цена, делающая их доступными даже небольшим проектным организациям. Возможностей данных пакетов достаточно для решения типовых практических задач, применяемые в них алгоритмы прошли испытание временем.
В то же время широкое распространение нетипового строительства и точечной застройки, повышение высотности зданий и строительство ряда большепролетных сооружений уникальной архитектуры привело к усложнению решаемых задач. Появилась необходимость учета следующих моментов, не получивших должного разрешения в специализированных пакетах:
• большие размеры моделей (от 100 тыс. узлов) и необходимость поддержки многопроцессорных расчетов;
• трудоемкость подготовки моделей и совершенствование алгоритмов автоматической генерации сеток;
• геометрическая нелинейность поведения большепролетных сооружений;
• учет физической нелинейности поведения железобетона (пластичность, ползучесть и т.д.);
• необходимость совместного учета грунта и конструкции в нелинейной постановке;
• сложный характер ветрового нагружения и его большая динамическая составляющая;
• необходимость анализа нештатных ситуаций в высоконелинейной динамической постановке с учетом разрушения;
• необходимость решения нетиповых задач теплообмена и вентиляции;
• оптимизация проектных параметров нетиповых конструкций.
Тяжелые пакеты позволяют решать эти задачи, но их применение в строительстве сдерживалось (помимо в десятки раз большей стоимости) ориентированностью на задачи машиностроения, большей сложностью и необычностью алгоритмов, нехваткой или отсутствием русскоязычной документации, а главным образом — неучетом отечественных методик и стандартов (подбор арматуры, библиотеки сортаментов и т.п.). Упомянутые пакеты примерно идентичны по своим возможностям. Сравнение их — дело сложное и неблагодарное, и определяющим фактором здесь нередко выступали вкусы или привычки пользователей либо специфика решаемых задач. На наш взгляд, для решения задач строительной индустрии из упомянутых пакетов в наибольшей степени пригоден ANSYS. Причины этого таковы:
• наибольшее (из тяжелых пакетов) число легальных (и нелегальных) пользователей в России, не уступающее общему числу пользователей;
• максимальный объем встроенной документации;
• наличие достаточного объема документации и литературы на русском языке;
• полнофункциональная версия на ПЭВМ;
• наиболее удобное пользовательское программирование, упрощающее локализацию;
• специальная конфигурация ANSYS/CivilFEM для задач строительства;
• специализированные модули ANSYS/CivilFEM для мостов, грунтов и пр.
Встроенный язык программирования APDL (напоминающий фортран) позволяет строить модели параметрически, создавать собственные типовые модели-примитивы, включать пользовательские алгоритмы. Поддерживаются параметры, массивы, запрос информации из баз данных, ввод-вывод в текстовые файлы, циклы, условные переходы, встроенные математические функции, макросы, шифрование и многое другое. Особенно эффективен он при обработке и анализе результатов. Рядом пользователей реализованы даже методики СНиП. Несложно самостоятельно провести моделирование процесса монтажа («рождение-смерть» элементов) и генерацию расчетных сочетаний усилий.
Но наиболее эффективным, разумеется, является применение ANSYS для задач, не решаемых специализированными пакетами. Получение линейного решения, которому можно доверять на практике, — вполне посильная задача для сотен CAE-пакетов, а вот получить надежное нелинейное решение серьезной задачи несравнимо сложнее. Полный сертификат NAFEMS требует выполнения примерно 8 тыс. тестовых задач. И ANSYS его получил — единственный из CAE-пакетов!
Ряд проектных строительных организаций, в частности «ГКТехстрой», с успехом применяет ANSYS. На иллюстрациях приведены некоторые примеры.
На наш взгляд, для так называемых уникальных и ответственных сооружений следует обязательно проводить аудит (в том числе и внутренний) и экспертную оценку с использованием альтернативных программных средств, таких, например, как ANSYS.
В связи с вышеизложенным для обеспечения возможности импорта моделей из «Лиры» и SCAD в ANSYS автором статьи разработан конвертор (фортран-программа плюс макрос). В существующей версии передаются узлы, большинство типов элементов, шарниры, геометрические характеристики (включая типовые сечения, но кроме сортаментов), основные виды нагрузок (за исключением динамических), граничные условия. В настоящее время разрабатывается конвертор для пакета СТаДиО.
ANSYS/CivilFEM разработан как дополнительный модуль ANSYS. Комбинация обеих программ (пакет ANSYS+CivilFEM) дает возможность инженерам-строителям производить расчеты на высоком научном уровне, с применением мощнейших современнейших вычислительных технологий, а также в полном соответствии с нормами отрасли и с учетом специфики задач.
Благодаря общему графическому интерфейсу пользователя и совместному использованию исходных данных и результатов пакет ANSYS+CivilFEM превращается в мощнейшее решение для своего сегмента рынка.
Поддержка сверхбольших КЭ моделей (до 100 млн. степеней свободы) в нелинейной постановке и развитая многопроцессорность предоставляют уникальную возможность решения связанных задач «грунт—основание—конструкция».
Возможны расчеты сейсмики, устойчивости в линейной и нелинейной постановках, проверка и проектирование железобетонных и металлических профилей, решение задач механики грунтов, мостов и гидротехнических сооружений и т.д. Предусмотрен мощный настраиваемый модуль сочетаний нагружений с библиотекой коэффициентов комбинирования.
Пакет включает библиотеки материалов (сталь, бетон, грунты) и сортаментов профилей. Возможен учет зависимости от времени и нелинейных диаграмм «напряжение—деформация». Пользователь может создать свои собственные материалы и сечения и дополнить ими соответствующие библиотеки CivilFEM, вследствие чего перед ним откроются все возможности ANSYS для решения как линейных, так и нелинейных задач.
Результаты можно анализировать как в стандартном постпроцессоре, так и в специализированном, с возможностью подбора армирования, с проверкой на местную устойчивость и местную прочность.
Базовая программа CivilFEM INTRO распространяется в трех версиях — коммерческой, университетской (некоммерческой) и учебной — в зависимости от сферы использования. Специальные модули могут быть добавлены дополнительно.
CivilFEM поставляется совместно с ANSYS/Structural OPT. I, II и III как полностью интегрированный комбинированный продукт. Кроме того, CivilFEM в качестве дополнительного модуля функционирует вместе с другими пакетами семейства ANSYS.
Следует добавить, что CivilFEM был разработан фирмой Ingeciber (Испания) на базе ее собственного программного комплекса с использованием пользовательского программирования ANSYS. Три года назад продукт выиграл тендер, был рекомендован Ansys, Inc. для строительной индустрии и распространяется через дистрибьюторскую сеть. Авторизованным дистрибуторам в станах СНГ является ЗАО «EMT-Р» (www.civilfem.ru). Сейчас ANSYS/CivilFEM применяется более чем в 40 странах, в частности для всех расчетов высотных комплексов в КНР. В соответствии с договорами, заключенными с МГСУ и рядом известных отечественных специалистов, в настоящее время осуществляется дополнение ANSYS/CivilFEM отечественными правилами и методиками.
Подробный рассказ о возможностях ANSYS/CivilFEM мы планируем опубликовать в следующих номерах журнала.
«САПР и графика» 12'2004
