Введение к работе
Актуальность темы. Тонкостенные стержневые конструкции находят широкое применение в строительстве и машиностроении, при создании различных транспортных средств и конструкций. Характерным примером является применение тонкостенных стержней в мостостроении в качестве элементов ферм, балок открытого и замкнутого коробчатого сечения, автомобильных и вагонных рам. различных элементов строительных конструкции. Численное моделирование работы этих конструкций с помощью метода конечных элементов (МКЭ) на ЭВМ требует совершенствования и развития всех его этапов' с целью облегчения подготовки исходных данных, более точного учета конструктивных, механических и физических характеристик.
В Нормах СНиП 2.05.03-84 "Мосты и трубы" в пункте 4.23 указано о допустимости применения теории тонкостенных стержней к расчету пролетных строения со сплошными глазными балкам;:, при ' этом разрешается применять гипотезу о недеформируемости контура. если отношение длины пролета к сирине свыше 4. В то же время следует признать большую трудоемкость существующие методик расчета, необходимость дальнейшего развития его автоматизации. Конечные элементы, применяемые в программных комплексах МКЭ для расчета тонкостенных стержней и призматических оболочек, имеют ряд недостатков, снижающих достоверность расчета. К ким относятся разрывы в полях напряжении вдоль границ с соседними элементами, приближенный учет взаимодействия мембранных и изгибкых перемещения вдоль границ КЭ. расположенных в разных плоскостях.
Цель работы и задач;; исследований. Настоящая работа посвящена развитию методов автоматизации проектирования и расчета тонкостенных стержневых конструкций и призматических оболочек:
- 4 -автоматизации этапа вычисления геометрических характеристик сечений, исследованию и разработке конечных элементов, более полно учитывающих их конструктивные особенности, вопросам их применения для расчетов тонкостенных конструкций в упругопластической стадии, экспериментальной проверке расчетов, формулировке рекомендаций пс принятию оптимальных параметров сечений. Научная новизна заключается : .
в разработке и реализации на персональном компьютере в интерактивном режиме алгоритма определения геометрических характеристик тонкостенных и массивных сечений;
в уточнении матриц реакций и получении матриц усилий конечных элементов для расчета на стесненное кручение тонкостенных стеркней открытого и замкнутого сечения;
в разработке прямоугольного мембранного конечного элемента с тремя степенями свободы в узле и связанного с ним элемента оболочки с шестью степенями свободы в узле для расчета вытянутых в одном направлении тонкостенных конструкций;
в разработке методов получения матриц реакций прямоугольного мембранного элемента с восемью степенями свободы в узле, основной особенностью которого является отсутствие разрывов в полях напряжений вдоль границ с соседними элементами, и связанного с ним элемента оболочки с двенадцатью степенями свободы в узлэ;
в получении расчетных формул и реализации метода дополнительной нагрузки для расчета тонкостенного стержня на действие стесненного кручения в упругопластической стадии;'
в разработке и осуществлении эксперимента по анализу работы тонкостенной коробчатой балки на модели;
в разработке рекомендаций по назначению оптимальных размеров
- 5 -сечения тонкостенных балок и сжатых стержней и оптимальных марок металла с помощью геометрического программирования.
Достоверность полученных результатов проверялась путем сравнения с результатами тестовых расчетов, с расчетными и экспериментальными данными, полученными в литературных источниках, с расчетами, выполненными другими конечными элементами, при сгущении конечноэлементной сетки, сравнением с данными проведенных автором экспериментов.
Практическая ценность работы. Алгоритмы и программы, разработанные автором признаны в проектных институтах ГИПРОТРАНСПУТЬ и ЦНИИС, вклачекы в программные комплексы "КАРАТ" (для ЕС ЭВМ). "Супер-ПК" (для IBM PC) и могут быть использованы в конечноэле-кенткых комплексах ка любых ЭВМ. Результата исследований отражены в отчете НИР ГС-92-2-1503 по теме: "Разработка перспективных конструкции профилей горячекатаного шунта из низколегированной стали", выполненной в НИИ транспортного строительства в 1992 году.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на межвузовском научном семинаре МШТ - MIICJ1 "Численные методы строительной механики" и совместном научном семинаре 'кафедр САПР и "Строительная механика" в декабре 1993г.
Объем работы. Диссертация состоит из'введения, шести глав, заключения и приложения. Работа содержи 160 страниц машинописного текста, в том числе 43 рисунков. 4 таблиц. Список литературы составляет 135 наименований.
На защиту выносятся: -- алгоритмы и методы построения программного комплекса для определения геометрических характеристик тонкостенных сечений
.-6-'открытого и замкнутого профиля;
алгоритмы и методы получения матриц реакций и усилий .конечных элементов для расчета тонкостенных стержней и складчатых оболочек; . '
формулы дополнительных усилий для расчета тонкостенных стержней на стесненное кручение в упругопластической стадии итерационным методом дополнительной нагрузки в рамках МКЭ;
формулы для определения оптимальных параметров тонкостенных сечений стержней в начальной стадии проектирования, полученные методом геометрического программирования.
