Семенов - Проектно-вычислительный комплекс SCAD в учебном процессе

Изложены общие положения о проектно-вычислительном комплексе SCAD  версии 7.31 R.2 и на его основе рассмотренные алгоритмы формирования характерны) типов моделей конструкций, а также определение и визуализация их напряженно-деформированного состояния.

© Семенов А.А., Габитов А.И, 2005

© Издательсто АСВ, 2005

© SCAD-Office, 2005

ЧАСТЬ I. СПРАВОЧНАЯ

Глава 1. Общее знакомство

1.1. Проектно-вычислительмый комплекс SCAD

SCAD — это система, которая базируется на методе конечных элементов (МКЭ) и предназначена для расчета напряженно-деформированного состояния (НДС),  устойчивости, определения частот и форм собственных колебаний, анализа температурных воздействий, решения задач статики и динамики в линейной или нелинейной  постановке, а также широкого класса строительных, машиностроительных и других задач.

SCAD объединяет в себе мощные аналитические возможности и простоту работы с рафическим интерфейсом пользователя среды Windows.

Единая графическая среда синтеза расчетной модели и анализа результатов ее расчета обеспечивает неограниченные возможности моделирования разных  конструкций (от простейших до самых сложных), удовлетворяя потребностям опытных  профессионалов и оставаясь при этом доступной для начинающих [ 1.. .3 ].

Препроцессор

При моделировании конструкций сооружений с помощью графического  препроцессора SCAD применяются [1...6]:

■ развитая библиотека конечных элементов для генерации полной конечно-элементной модели конструкции на базе заданной геометрии;

■ разнообразные графические средства формирования и корректирования  геометрии расчетных схем, физико-механических свойств материалов, условий опирания и примыкания конструкций, а также нагрузок;

■ большой выбор параметрических прототипов конструкций, включающий  рамы, фермы, ростверки, оболочки, поверхности вращения, аналитически  заданные поверхности;

■ различные возможности генерации конечно-элементных сеток в препроцессоре системы: от формирования сеток вручную (на основе указанных опорных  точек) к полностью автоматической генерации произвольной сетки конечных элементов на плоскости - для сложных частей геометрической модели;

■ возможность формирования расчетных моделей путем складывания из  различных схем;

■ возможность работы на сетке координационных осей;

■ развитый механизм работы с группами узлов и элементов;

■ формирование расчетной модели путем копирования всей схемы или ее  фрагментов;

■ назначение пользователем самостоятельно или путем выборки из  соответствующих библиотек SCAD характеристик материалов и сечений стержней;

■ возможность воспользоваться встроенной в препроцессор SCAD справочной системой (при возникновении потребности в любой дополнительной  информации или помощи относительно системы SCAD);

■ широкий выбор средств визуального контроля всех характеристик расчетной модели сооружения на разных этапах ее формирования, который необходим для избежания возможных ошибок перед проведением расчетов;

■ возможность импорта геометрии из AutoCAD, 3D Studio, HyperSteel н StruCAD. В качестве основы для создания схемы может быть использован  архитектурный проект, созданный средствами ArchiCAD, МАЭСТРО, ALLPLAN и Architectural Desktop (через ядро системы МАЭСТРО), что  позволяет существенно сократить время подготовки расчетной схемы;

■ возможность экспорта данных в системы ALLPLAN, ФОК.

Процессор

После окончания процесса формирования модели с помощью системы SCAD можно провести ее конечно-элементный анализ, который построен на алгоритмах, обеспечивающих максимальную точность, скорость и достоверность результата [ 1...3 ]. Высокопроизводительный процессор позволяет решать задачи большой размерности (сотни тысяч степеней свободы) в линейной и геометрически нелинейной постановке.

В системе предусмотрено выполнение расчетов на разные виды динамических  влияний, таких как сейсмические, пульсации ветровой погрузки, гармонические колебания, импульс, удар. Процессор имеет следующие вычислительные возможности:

■ высокая скорость расчета;

■ 65000 узлов н 65000 элементов;

■ 392000 степеней свободы;

■ развитая библиотека конечных элементов;

■ эффективные методы оптимизации матрицы жесткости.

Постпроцессор

Постпроцессор системы SCAD имеет мощные средства визуализации и прочие инструменты для численной обработки результатов [1.. .3]:

■ результаты расчета отображаются как в графической, так и в табличной  формах;

■ в графической форме результаты расчета перемещений выводятся в виде  деформированной схемы, цветовой и цифровой индикации значений  перемещений в узлах, а также изополей и изолиний перемещений для пластинчатых и объемных элементов, выполняется анимация форм колебаний для  динамических нагрузок и анимация процесса деформирования для статических  нагрузок;

■ для стержневых элементов могут быть получены деформированные схемы с учетом прогибов, а также эпюры прогибов для отдельных элементов;

■ усилия в стержневых элементах представляются в виде эпюр для всей схемы или для отдельного элемента, а также цветовой индикацией максимальных значений выбранного силового фактора;

■ усилия и напряжения в пластинчатых и объемных элементах выводятся в виде изополей или изолиний в указанном диапазоне цветовой шкалы с  возможностью одновременного отображения числовых значений в центрах и в узлах элементов;

■ графическое представление результатов работы постпроцессора при расчете элементов железобетонных конструкций в виде эпюр для стержневых элементов и изополей или изолиний распределения арматуры — для пластинчатых элементов;

■ возможность локализации результатов расчета в заданном диапазоне значений перемещений и силовых факторов;

■ результаты расчета в табличной форме могут экспортироваться в редакторы из пакета Microsoft Office: MS Word, MS Excel;

■ табличное представление результатов может быть дополнено графическими материалами, отобранными в процессе создания расчетной схемы и анализа результатов.

Комплекс SCAD также объединяет модули, которые автоматизируют рад  процессов проектирования:

■ вычисление усилий и перемещений элементов модели от комбинации  нагрузок;

■ выбор наиболее невыгодной комбинации нагрузок;

■ анализ устойчивости;

■ формирование расчетных сочетаний усилий;

■ проверка напряженного состояния элементов конструкций с разными теориями прочности;

■ определение усилий взаимодействия фрагмента с другой конструкцией;

■ построение амплитудно-частотных характеристик;

■ вариации моделей для совместного анализа нескольких вариантов расчетной схемы;

■ подбор арматуры в элементах железобетонных конструкций;

■ проверка и подбор пересечений элементов стальных конструкций.

Подготовка пояснительной записки — неотъемлемая часть проведения любых расчетов. Интерфейс пользователя Windows значительно облегчает процесс  выполнения этой задачи и повышает качество получаемых документов. SCAD использует  данный интерфейс и разрешает напрямую осуществлять высококачественную выдачу на принтер как текстовых, так и графических данных, которые связаны с моделью и  результатами расчета.

1.2. Программы-сателлиты пакета SCAD Office

Для инженера-проектировщика не менее (а во многих случаях и более) важными являются «простые» задачи, решение которых занимает у него заметную часть  времени. Проверка сечений балок, сбор нагрузок на элементы конструкции, определение геометрических характеристик составных сечений — это далеко не полный перечень такого рода рутинных проектных задач. Для этих целей была разработана серия  «малых» программ-спутников вычислительного комплекса SCAD, ориентированных на решение задач проектирования. Вместе с вычислительным комплексом они составляют единый пакет SCAD Office, включающий:

Проектно-аналитические программы

АРБАТ — программа подбора и проверки арматуры в элементах  железобетонных конструкций (в неразрезных балках и в колоннах), а также определение прогибов в железобетонных балках [4,7...9] в соответствии с требованиями [10...13]. Расчет выполняется по предельным состояниям первой и второй группы для расчетных  сочетаний усилий, выбираемых автоматически в зависимости от заданных нагрузок [14];

КАМИН — программа, предназначенная для выполнения конструктивных  расчетов и проверок элементов и соединений каменных и армокаменных конструкций [4, 15... 16] на соответствие требованиям [ 17 ] и документов, выпущенных в развитие и дополнение этих норм [ 18 ];

КРИСТАЛЛ — программа, предназначенная для выполнения конструктивных расчетов и проверок элементов и соединений стальных конструкций [4, 19...22] на соответствие требованиям [23,24].

Проектно-конструкторские программы

МОНОЛИТ — программа проектирования железобетонных монолитных  ребристых перекрытий [ 4,25...26 ];

КОМЕТА — программа расчета и проектирования узлов стальных конструкций и сооружений в промышленном и гражданском строительстве [ 3 ];

Вспомогательные программы

ВеСТ — программа определения нагрузок и влияния окружающей среды на строительные конструкции [4, 27] соответственно рекомендациям [ 14];

ФОРУМ — программа формирования расчетных моделей из укрупненных функциональных составных частей реального сооружения, таких как колоны, балки, стены, перекрытие, крыши и и т.п. (возможный импорт модели из системы ArchiCAD) [28];

КРОСС — программа определения коэффициентов постели для расчета  фундаментных конструкций на упругом винклеровском основании с помощью  моделирования работы многослойного грунтового массива [4,29,30];

КОНСТРУКТОР СЕЧЕНИЙ — программа формирования и расчета  геометрических характеристик составных сечений из стальных прокатных профилей и листов [31];

КОНСУЛ — программа формирования и расчета геометрических характеристик на основе теории сплошных стержней [31];

ТОНУС — программа формирования и расчета геометрических характеристик на основе теории тонкостенных стержней [31];

СЕЗАМ — программа поиска сечения в виде квадрата, двутавра или швеллера, который наиболее близко аппроксимирует заданное геометрическими  характеристиками сечение [31].