Главная » Литература » Пособия по программному обеспечению » Титаев В. А. - Автоматизация расчёта строительных конструкций на примере ЛИРА-подобных программных комплексов

Титаев В. А. - Автоматизация расчёта строительных конструкций на примере ЛИРА-подобных программных комплексов

В.А. Титаев

АВТОМАТИЗАЦИЯ РАСЧЁТА СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ на примере ЛИРА-подобных программных комплексов

Министерство путей сообщения Российской Федерации

Дальневосточный государственный университет путей сообщения

Кафедра “Строительные конструкции”

Хабаровск

2001

УДК 624.01:004.925.8

ББК Н112.017я73

Т 450

Рецензенты:

Кафедра “Строительные конструкции” Московского государственного университета путей сообщения (заведующий кафедрой, д.т.н., профессор В.П. Чирков)

Главный инженер Государственного унитарного предприятия Хабаровскгражданпроект В.Т.Храпак.

Титаев В.А.

T 450 Автоматизация расчёта строительных конструкций на примере ЛИРА-подобных программных комплексов: Учебное пособие. Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2001. – 161 с.: ил.

Учебное пособие содержит методические рекомендации и основные справочные данные по расчёту строительных конструкций на программных комплексах ПК «Мираж» и ПК «ЛИРА-Windows».

Пособие предусматривает применение одного из указанных программных комплексов, при расчётах на статические и динамические воздействия при линейно упругой работе материалов конструкций.

Учебное пособие предназначено для студентов дневной и заочной форм обучения строительных специальностей.

Рис. 96, Табл. 53, список лит.– 12 назв.

УДК 624.01:004.925.8

ББК Н112.017я73

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

2. ВХОДНОЙ ЯЗЫК

2.1. Архитектура и синтаксис

2.2. Оформление титульного листа

2.3. Документ 0 "Заглавный"

2.4. Документ 1 "Элементы"

2.5. Документ 2 "Шарниры"

2.6. Документ 3 "Жесткостные характеристики"

2.7. Документ 4 "Координаты"

2.8. Документ 5 "Связи"

2.9. Документ 6 "Типы нагрузок"

2.10. Документ 7 "Величины нагрузок"

2.11. Документ 8 "Расчётные сочетания усилий"

2.12. Документ 15 "Организация расчёта на динамические воздействия"

2.13. Сокращение объёма исходной информации

3. БИБЛИОТЕКА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

3.1. Универсальный стержень. Конечный элемент 10

3.2. Универсальные КЭ для расчета балок-стенок, тонких плит и пологих оболочек

3.3. Универсальные конечные элементы для решения пространственной задачи теории упругости

3.4. Специальные конечные элементы

3.5. КЭ предназначенный для исключения элементов из расчётной схемы (тип КЭ – 200)

4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТА

4.1. Результаты линейного расчета

4.2. Стержневые элементы

4.3. Плоские элементы

4.4. Пространственные элементы

4.5. Специальные элементы (КЭ 51, 55)

4.6. Специальный элемент (КЭ 154)

5. СУПЕРЭЛЕМЕНТЫ

5.1. Общие положения

5.2. Исходные данные суперэлемента

5.3. Исходные данные основной схемы

6. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СОСТАВЛЕНИЮ РАСЧЕТНЫХ СХЕМ

6.1. Принципы построения конечно-элементных моделей

6.2. Построение рациональных расчетных схем

6.3. Глобальная, местная и локальная системы координат

6.4. Использование приёма "объединение перемещений"

6.5. Моделирование податливости узлов при сопряжении элементов

6.6. Моделирование шарниров в стержневых и пластинчатых элементах

6.7. Расчет на заданные перемещения

6.8. Введение связей конечной жёсткости

6.9. Расчет на температурные воздействия

6.10. Моделирование предварительного напряжения

6.11. Учёт прямой и косой симметрии

6.12. Расчет конструкций на упругом основании

6.13. Расчет плит и оболочек, подкреплённых рёбрами

7. ПРИМЕРЫ

7.1. Расчёт балки

7.2. Расчёт перекрёстной балочной системы на упругом основании

7.3. Расчёт поперечной рамы одноэтажного стального каркаса промышленного здания

7.4. Расчёт плиты защемлённой по двум сторонам (учёт симметрии)

7.5. Организация шарнира в плите защемлённой по двум сторонам

7.6. Расчёт стеновой панели (удаление элементов из схемы)

7.7. Определение напряженного состояния ленточного фундамента (плоская деформация)

7.8. Моделирование расчётных схем с использованием специальных систем координат

7.9. Моделирование конструкции пространственными конечными элементами

7.10. Расчёт рамы на заданные перемещения

7.11. Расчёт коробки методом суперэлементов

7.12. Расчёт многоэтажной рамы на сейсмическое воздействие

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Целью автоматизации проектирования является обеспечение бездефектного проектирования, на основе применения математических моделей обеспечивающих оптимальный уровень надёжности проектируемых строительных конструкций сооружений.

В пособии на примере программных комплексов ПК «МИРАЖ» и «ЛИРА-Windows» описан подход к автоматизации расчётов основывающийся на современных методах строительной механики и теории упругости. Приведены основные справочные данные для прочностного расчёта, рассмотрены примеры, раскрывающие большую часть возможностей ПК «МИРАЖ» и «ЛИРА-Windows», при линейно упругой работе материалов конструкций.

Универсальность рассматриваемых программных комплексов позволяет использовать их при автоматизации расчётов различных объектов промышленного и гражданского строительства, мостостроения и специальных инженерных сооружений.

Справочные данные о возможностях и реализации расчётов на ПК «МИРАЖ» и «ЛИРА-Windows», содержащиеся в пособии, составлены на основе систематизации данных руководств [1, 2].

Глава 6 содержит рекомендации по составлению расчётных схем при моделировании различных строительных конструкций сооружений, рассматриваемые в книге [3].

Пособие предназначено для студентов строительных специальностей для выполнения курсовых и дипломных проектов при выполнении прочностных расчётов. Оно также будет полезно для инженеров-проектировщиков знакомых с методом конечных элементов и желающих познакомиться с современным программным обеспечением по автоматизации расчётов строительных конструкций.

Особую благодарность автор выражает коллективу разработчиков ПК «МИРАЖ» и «ЛИРА-Windows» – сотрудникам НИИАСС г.Киев Украина, за любезно предоставленную копию ПК «ЛИРА-Windows» для ДВГУПС.

Автор благодарит заведующего лабораторией кафедры "Здания и сооружения" ДВГУПС инженера Бойко А.Г. за помощь в графическом оформлении рукописи пособия.

Официальный адрес в интернет НИИАСС www.lira.com.ua, где можно получить исчерпывающую информацию по выходу новых версий ПК «ЛИРА-Windows», а также другую полезную информацию для инженеров проектировщиков, работающих с указанным программным обеспечением. Здесь же предоставляется возможность бесплатно переписать ПК «МИРАЖ» версия 4.3 и демонстрационные версии ПК «ЛИРА-Windows».

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Рассматриваемые в пособии программные комплексы (ПК) «МИРАЖ» и «ЛИРА-Windows» предназначены для численного исследования на ЭВМ прочности конструкций, а также и для автоматизированного выполнения ряда расчётных процессов. ПК «МИРАЖ» и «ЛИРА-Windows» обеспечивают возможность исследования широкого класса конструкций: пространственные стержневые системы, произвольные пластинчатые и оболочечные системы, мембраны, массивные тела, комбинированные системы  рамно-связевые конструкции высотных зданий, плиты на грунтовом основании, ребристые пластинчатые системы. Расчёт выполняется на статические и динамические нагрузки. Статические нагрузки моделируют силовые воздействия от сосредоточенных и распределенных сил или моментов, температурного нагрева и перемещений отдельных узлов конструкции. Динамические нагрузки моделируют воздействия от землетрясения, пульсирующего потока ветра, вибрационные воздействия от технологического оборудования, ударные воздействия.

Рассчитываемые (исследуемые) объекты могут иметь произвольные криволинейные очертания, локальные ослабления в виде различной формы отверстий и полостей, различные условия опирания. ПК «МИРАЖ» и «ЛИРА-Windows» реализуют численный метод дискретизации сплошной среды  метод конечных элементов (МКЭ). В ПК включено большое количество типов конечных элементов: стержни, четырехугольные и треугольные элементы плиты, оболочки, элементы плиты на упругом основании, пространственные элементы в виде тетраэдра, параллелепипеда, восьмигранника общего вида, специальные элементы, моделирующие связь конечной жесткости, упругую податливость между узлами.

Процесс расчёта основной схемы разбит на следующие этапы:

1. Ввод исходных данных, записанных на входном языке и их синтаксический контроль, контроль суперэлементов - их геометрической формы, совпадения координат узлов стыковки суперэлементов с узлами основной схемы, соответствие жесткостных характеристик, нагрузок и т.п. Сообщения об ошибках, обнаруженных при контроле конечных элементов, выносятся в текст протокола прохождения задачи.

2. Перенумерация неизвестных с целью уменьшения профиля матрицы жесткости (оптимизация).

3. Формирование матрицы жесткости суперэлементов.

4. формирование матрицы жесткости основной схемы.

5. Формирование матрицы загружений (правая часть).

6. Обработка динамических воздействий на основную схему: опреде-ление периодов, частот и форм собственных колебаний, вычисле-ние инерционных сил и т.д.

7. Вычисление перемещений основной схемы.

8. Контроль решения системы уравнений.

9. Вычисление перемещений в суперэлементах.

10. Вычисление усилий.

Результатами работы ПК «МИРАЖ» и «ЛИРА-Windows» являются перемещения узлов схемы, усилия (напряжения) в ее элементах от статических и динамических воздействий. В последнем случае вычисляются частоты, периоды и формы собственных колебаний, инерционные силы. Эти результаты могут быть отображены графически и представлены в таблицах, кроме того, они используются при определении расчётных сочетаний усилий.

Входной язык позволяет корректно и кратко описать расчётную схему, её топологию, связи и нагрузки, использовать специфику библиотеки конечных элементов.

Расчётная схема представляет собой идеализированную модель конструкции. Эту модель необходимо разбить на конечные элементы и пронумеровать узлы. Следует назначить опорные узлы и ввести в них соответствующие связи (запретить перемещения по каким-либо степеням свободы в узле либо ограничить перемещения узла конечными элементами, моделирующими работу связи). Рекомендуется также пронумеровать элементы. Эта нумерация необходима для определения последовательности задания исходной информации на входном языке и чтения результатов счёта. Конечные элементы (КЭ), имеющие одинаковые жесткостные характеристики, объединяются в жесткостные типы, номера которых рекомендуется проставить у соответствующего элемента.

Для задания координат узлов используются, декартова, цилиндрическая и сферическая системы координат.

При расчёте на динамические воздействия на расчётной схеме (или рядом с ней) указываются расположение и величины весов масс и другие динамические параметры.

Для фиксации местоположения конечного элемента служит местная система координат Х1, Y1, Z1, которая является только правой декартовой. Местная система координат необходима для ориентации местной нагрузки, главных осей инерции в сечении стержня, усилий и напряжений, возникающих в элементе.

Способы разбивки системы на КЭ и густота сетки зависят от условий конкретной задачи (см. рекомендации гл.6). Редкая сетка может привести к неприемлемо грубому приближению, а неоправданно густая – к плохой обусловленности системы канонических уравнений. На обусловленность системы уравнений влияет также соотношение сторон КЭ, поэтому следует отдавать предпочтение равносторонним конечным элементам.

Каждый узел схемы в общем случае имеет 6 степеней свободы, которым присвоены следующие номера:

1 – линейное перемещение вдоль оси Х или X1;

2 – линейное перемещение вдоль оси Y или Y1;

3 – линейное перемещение вдоль оси Z или Z1;

4 – поворот вокруг X или X1;

5 – поворот вокруг Y или Y1;

6 – поворот вокруг Z или Z1.

Граничные условия в расчётной схеме могут быть заданы непосредственно на входном языке (запрет перемещений линейных и угловых осуществляется только в декартовой системе координат), либо при помощи связей конечной жесткости (специальные КЭ см. п.4.5), что особенно эффективно, если в налагаемых связях необходимо знать реакции. При этом введение связей, жесткости которых значительно превосходят жесткость элементов системы, может снизить точность счёта. Если же жесткость вводимых связей невелика, могут иметь место искажения истинного решения для внешне стати-чески определимых систем. Рекомендуется, чтобы величина жесткости вводимых связей была на порядок больше самой большой погонной жесткостной характеристики из всех элементов системы. Но в каждом отдельном случае нужна индивидуальная оценка.

Статические воздействия задаются в виде сосредоточенных сил и моментов как в узлы схемы (узловые нагрузки) по направлениям общей системы координат, так и на элементы (местная нагрузка) по направлениям местной или общей систем координат.

Вынужденные динамические воздействия задаются в виде узловых нагрузок. Инерционные массы сооружения задаются как собственный вес конструкций, оборудования, при этом допускается использование как местных, так и узловых нагрузок.

Действие одной нагрузки или группы нагрузок должно быть объявлено как отдельное загружение - статическое или динамическое.

При задании исходных данных могут быть задействованы различные системы единиц измерения (см. п. 2.3.10). Основными единицами являются единицы длины (L), силы (F), размеров сечений стержней (s), температуры (t). Единицы измерения прочих величин являются производными от основных. Базовыми единицами, используемыми по умолчанию, являются: L – метры; s – сантиметры; F – тонны силы; t – градусы Цельсия.

Результаты расчёта могут представляться как в исходных единицах, так и в производных.

...

Скачать