Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Смешанная форма МКЭ в расчетах стержневых систем и сплошной среды Покровский, Александр Александрович

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Покровский, Александр Александрович. Смешанная форма МКЭ в расчетах стержневых систем и сплошной среды : диссертация ... доктора технических наук : 05.23.17.- Пенза, 2000.- 308 с.: ил. РГБ ОД, 71 01-5/202-X

Введение к работе

Ь'ЛГ:Ьі- 'Лі'*-'. Актуальность проблемы

Стержневые системы весьма разнообразны и специфика юс деформирования такоБа, что в настоящее время нет общепризнанной нелинейной теории их расчета, хотя попытки ее построения предпринимались неоднократно.

Учет физической и геометрической нелинейнсстей необходим при исследовании кинетики напряженно-деформированных состояний на различных стадиях, что позволит совершенствовать нормативные документы в области расчета конструкций.

При расчете стержневых систем приходится реиать три основные проблемы: 1/ получение системы уравнений, 2/ ее решение, 3/ формализация расчетов на ЭВМ.

Эти проблемы эффективно решаются только в линейных задачах путем применения МКЭ в форме метода перемещении, вытекающего из ва-риадионного принципа Лагранжа.

При рошеними геометрически нелинейных задач МКЭ в форме метода перемещений применяют в двух вариантах: е первом - матрицу кест-кости КЭ получают по нелинейной теории, что /приводит к нелинейной системе уравнений, решаемой обычно итерационно методом Ныотона-Рофсона; во втором - матрицу несткостя КЭ получают по линейной теории, что приводит к линейной системе уравнений относительно приращений перемещений от достигнутого уровня. Расчет до обоим вариантам ведут при поэтапном нагружении. Оба варианта решения нелинейной задачи имеют положительные и отрицательные стороны. Следует отметить, что дифференциальные уравнения изгиба тонких упругих стержней и провеса гибких алтей в элементарных функциях не интегрируются, поэтому выбор аппроксимирующих функций перемещений на КЭ определяет и точность и трудоемкость расчета.

Наибольшие трудности расчета стержневых систем связаны с учетом фивической неланзйности. Б настоящее время нет теории прочности, достоверно описывающей напряженные и деформированные состояния в области всестороннего сжатия и растяжения:. Это не позволяет прослеживать процесс разрушения сечений без привлечения расчетных условных моделей. При больших деформациях гипотеза плоских сечений, используемая в расчетах стержней, не подтверждается, что хорошо наблюдается в аоне шейки стандартного образца при испытании'на рас> тяиение. завершающегося разрывом образца. Поэтому при расчетах металлических- конструкций в упруго-пластической стадии принимают се« чепия не разрушающимися и па менявшими своих размеров. Но дааа в втом случае расчет по ЫКЭ в форме метода перемещений остается ело» кым и трудоемким. При этом приходится членить каддый отериепь по длине на большое число алементов, а по высота сечении - на большоо число полос, определять приведенные жесткостные'характеристики по деформациям, уточняемым итерационно, перестраивать систему уравнений при каадом наступлении предельного расчетного состояния в опао них сечениях с появлением разрывов в уравнениях совместности, следить за величиной деформаций. Пореход конструкции из статически неопределимой в определимую, а затем в условный механизм с одной или несколькими степенями свобода ведет к необходимости смены параметра нагружения, составления дополнительно геометрических уравнений, наряду с уравнениями равновесия и ограничениями по прочное-; тп и деформациям. Таким образом, из полной системы уравнений используется только ее часть в зависимости от стадии напряженно-деформированного состояния. Все это свидетельствует о том, что для получения полной системы уравнений не может быть применен один вариационный принцип и нельзя подобрать класс аппроксимирующих функ-дня на КЭ, пригодных ко всем стадиям работы конструкции. При больших деформациях,.возникающих в предельном состоянии сечений, учет

физической нелинейности неизбежно приводит к необходимости учета и геометрической нелинейности.

Расчет стержневых сиотем с учетом физической и геометрической полинейностей при больших деформациях связан с большими трудностями, как при формировании разрешаших уравнений, так и при их решении и формализации, всего процесса, расчета на ЭЕМ. Имеются только отдельные публикации, СЕвдетольствущиэ о сложности решаемой проблемы.

Напряженно-деформированные состояния различных типов стержневых систем и на различных стадиях лучгао всего описать с помощью смешанных граничних условий. Именно смеианные граничные условия позволяют проще выделить "жесткие" смещения, составить уравнения равновесия по деформированной схема, учесть разрывы в уравнениях совместности, составить геометрические уравнения, описывающие геометрию условного механизма с одноіі или несколькими степенями свободы.

Приведенные особенности расчетов стержневій систем свидетельствуют о том, что разработка алгоритмов а способов описания напряженно—деформированных состояний на различных стадиях с учетом физической и геометрической нелннейностей являюся актуальной темой, решение которой представляет народно-хозяйственную задачу, отра-аенную е целевых отраслевых программах.

Цель работы:,

разработка алгоритмов расчета стержневых систем разновидностью смешанной формы 1ИКЭ с учетом физической и геометрической нели-нейностей применительно к зяцачам прочности, устойчивости, динамики, оптимизации; '

проведение численных расчетов стержневых систем смешанной формой МКЭ с анализом полученных .результатов и сравнением с известными решениями;

разработка алгоритмов и способов решения уравнении, полученных

по смешанной форме МКЭ и описывающих поведение стержневых систем на различных стадиях}

разработка способа описания геометрии кривой по заданным деформациям в расчетных сечениях с двусторонними оценками деформированного состояния и применением его к расчету суиерзлементов в виде гибкого стержня, нити или кинематической цепи;

разработка алгоритма определения обобщенных деформаций / „^/ в сечении стержня при заданных силовых воздействиях / Ы-х^Мж./ с учетом физических свойств материалов и ограничениями по дефор-мациям; .

разработка алгоритмов оптимизации статических и геометрических, параметров стержневых систем в задачах упругой устойчивости;

Научная новизна работы- состоит;

в применении разновидности смешанного метода на конечно-элементной основе к расчету стержневых систем различного типа с учетом физической и геометрической нелшейностей;

в способе составления разрешающих уравнений смешанного типа, применимого к различным стержневым конструкциям и стадиям их рє боты;

в разработке алгоритмов и способов решения нелинейных уравпени! описывающих поведение стержневых систем-различного типа и на различных стадиях их работы;

в разработке способа описания геометрии кривой по заданным деформациям в расчетных сечениях с двусторонними оценками деформированного состояния;'

в разработке алгоритма определения деформаций по заданным'сши в сечении с учетом физической нелинейности свойств материалов, ограничениями по деформациям, двусторонними оценками точносст вычисления деформаций;

в разработке алгоритмов оптимизации статических и геометрсксск

параметров стержневых систем в задачах упругой устойчивости.

Практическая пенность и эффективность результатов характеризуется следующими данными:

смененная форма МКЭ и алгоритми опробованы на большом числе примеров расчета стержневых систем различного типа в задачах прочности, устойчивости, динамики с сравнением результатов с известными решениями;

из системы уравнений смешанного типа одновременно определяются и усилия и перемещения в расчетных сечениях;

система уравнений смешанного типа в лилейных задачах їлояет быть решена по нескольким вариантам, выбираемым в зависимости от условий задачи;

разработан способ описания геометрии кривой по заданным деформациям независимо от причин их появления и позволяющий получать двусторонние оценки деформированных состояний гибких стержней, нитей, кинематических цепей;

разработан алгоритм определения деформаций в сечении по заданным силам с учетом физической нелинейности свойств материалов и введением ограничений по деформациям, что резко сокращает затраты малинного времени и дает двусторонние оценки по деформациям;

- полная система уравнений смешанного типа позволяет прослеживать
' все стадии деформирования конструкции, включая условные кинема
тические механизмы;

- оптимизация статических и геометрических параметров стержневых
систем в задачах упругой устойчивости позволяет существенно по
высить параметр критической нагрузки без изменения расхода ма
териалов, как проектируемых, так и существующих конструкций.

Перспектива развития;

разработанные алгоритмы расчета стержневых систем разновидностью смешанной формы МКЭ с учетом физической и геометрической пелиней-

костей позволят: і/ накопить опыт црослшшвания кинетики напря-абнно-деформированных состоянии; 2/ совершенствовать нормативные документы по проектированию конструкций; 3/ улучшать качество подготовки специалистов-расчетчиков в учебных заведениях.

Апробация работа осуществлялась в форме докладов:

на кафедрах строительной механики и сопротивления материалов ШСИ / 1977,1979,1988-91г./; .

на научном семинаре отделения'расчета сооружений ЦНШСКа под руководством докт. техн. наук М.И.Ерхова /1977г./;

на манэувовском семинаре "Численные методы строительной механд* кя" под руководство!) профессоров Л.А.Розшза, Р.АДечуыова, Н.Н.Шапошникова / 1980г./}

на научно-технических конференциях в городах: Волгоград/1990г./ Пенза / 1977-SOr./;

.- на научном семинаре по строительной механике и механике дбфор» мируеыого тела под руководством профессоров Л.С.Грагорьева, АДІ.Проценко /1391г./;

- на объединенном научном сеиинаро кафедр строительной механики,
сопротивления материалов а лаборатории исследования напряжений
под руководством профессоров НеН.ЛеонтьеЕа, Г.С.Вардапяна,
Г.ЛДесипа /1991г./.

Бо теме диссертации опубликовано 16 статей и 2 тезиса докладов. Соавтором по 4 публикациям является научный консультант профеесс Р.А.Хечушв, с которым обсуцдалясь основные идеи и постановки эадач. ,

На зазмгу выносятся:

- алгоритмы расчета стержневых систем разновидностью смешанной
формы МКЭ с учетом, физичешй и геометрической нелинейностоА

Ьртіенительно к задачам прочности, устойчивости, динамики, оптими» зации;

- результаты расчетов различных типов стержневых систем смешанной
I формой МКЭ в нелинейных постановках;

способ описания геометрии кривой по заданным деформациям в расчетных сечениях независимо от причин их появления с двусторонними оценками деформированного состояния и приложением его к расчету суперэлеыентов в виде гибкого стержня, нити, кинематической цепи;

алгоритм определения обобщенных деформаций в сечении стэрлня по заданным внутренним силам с учетом физической нелинейности свойств материалов и ограничениями по деформациям;

алгоритмы оптимизации статических п геометрических параметров стержневых систем в задачах упругой устойчивости.

Объем работн.

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Об^ий объем составляет 226 страниц и включает 46 таблиц, 28 страниц иллюстраций.