Виртуальные лабораторные работы для студентов бакалавриата и магистрантов по направлению «Строительство» с
advertisement
ГОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет Виртуальные лабораторные работы для студентов бакалавриата и магистрантов по направлению «Строительство» с применением SCAD Office Сафиуллин М. Н. Порываев И. А. проф. Семенов А. А. 2013 Методологический подход к лабораторным работам в вузе Обязательным атрибутом любого лабораторного эксперимента является единство двух категорий знаний: эмпирических и теоретических. К эмпирическим методам исследования относят наблюдение, сравнение, измерение и эксперимент. К теоретическим – аналогию, идеализацию, формализацию. С развитием расчетных и проектирующих программных комплексов появилась возможность создания расчетных моделей конструкций практически любой степени сложности с последующим анализом их напряженно-деформированного состояния (НДС). Очень интересным и перспективным стало сравнение результатов расчетов исследуемого объекта, полученных: • классическими инженерными методами • непосредственно экспериментом • при помощи расчетных комплексов Блок-схема проведения комплексной лабораторной работы (ЛР) Для получения более полной информации об исследуемом объекте, целесообразным представляется рассмотрение трех его моделей: 1. Теоретическая (упрощенная) модель – идеализированная модель объекта, основанная на классическом инженерном подходе (на основных теоретических положениях теории сопротивления материалов и строительной механики). 2. Механическая (физическая) модель – лабораторный образец, имитирующий натурную конструкцию (возможно, в определенном масштабе). 3. Математическая (КЭ) модель – конечно-элементная модель (созданная на принципах теории упругости), определение напряженно-деформированного состояния которой реализуется в современных программных комплексах. Тематика лабораторных работ по ФГОС Металлические конструкции, включая сварку (20 часов) • Ручная дуговая сварка. Сущность процесса. Оборудование и технология сварки. Сварочные материалы • Механизированная и автоматизированная сварка плавящимися электродами. Оборудование и технология сварки. • Испытание сварных соединений с угловыми швами • Контактные виды сварки. Стыковая сварка оплавлением и сопротивлением. • Газовая сварка и резка. Сущность процессов. Оборудование постов. Технология газовой сварки и резки. Сварочные материалы. • Испытание срезных болтовых соединений (фрикционных и на болтах нормальной точности) • Испытания фланцевых соединений на высокопрочных болтах. • Устойчивость стальных колонн сплошного сечения • Устойчивость стенок и поясных листов металлических балок Тематика лабораторных работ по ФГОС Железобетонные и армокаменные конструкции (8 часов) • Испытание железобетонной балки на изгиб по нормальному сечению • Испытание железобетонной балки на действие поперечной силы по наклонному сечению • Испытание колонны на внецентренное сжатие с большим эксцентриситетом • Испытание железобетонной предварительно напряженной балки на изгиб Конструкции из дерева и пластмасс (8 часов) • Испытание образца соединения на лобовой врубке • Испытание образца симметричного двухсрезного соединения на вклееных нагелях. • Испытание составной балки на пластинчатых нагелях. • Испытание дощатоклееной балки на изгиб. Виртуальные лабораторные работы по дисциплине «Металлические конструкции, включая сварку» 1. Анализ устойчивости центрально-сжатой стойки сквозного сечения Проблемы постановки физического эксперимента по анализу устойчивости • Необходимость использования дорогостоящих экспериментальных установок и чувствительных контрольноизмерительных приборов. • Сложность постановки эксперимента. • Использование крупноразмерных образцов. • Невозможность многократного использования лабораторных образцов (один образец – один эксперимент) Задачи виртуальной ЛР • Анализ устойчивости центрально-сжатой стойки с применением ПК SCAD • Определение критической силы (по Эйлеру) и формы потери устойчивости • Определение критической силы по методике норм проектирования • Сравнительный анализ результатов Схема выполнения работы Теоретические сведения ПК SCAD «Ручной» расчет КОНСТРУКТОР СЕЧЕНИЙ Создание расчетной модели и анализ устойчивости по классической теории Анализ устойчивости по классической теории Теории устойчивости Программа КРИСТАЛЛ Анализ устойчивости по методике норм проектирования Анализ устойчивости по методике норм проектирования Нормы проектирова ния Изменение одного из параметров системы и установление зависимостей Анализ результатов, формулирование выводов Определение геометрических характеристик (КОНСТРУКТОР СЕЧЕНИЙ) Создание расчетной модели Автоматизированный расчет стойки по нормам проектирования с помощью программы КРИСТАЛЛ Определение формы потери устойчивости и критической силы Определение критической силы по формуле Эйлера Определение критической силы по нормам проектирова ния Критическая сила, кН 2500 2000 2022 1500 1403 1000 1044 Pэйлер Рscad 1032 870 709 500 790 568.3 Pсп 624 452.5 505 371.5 Pкристалл 0 79 95 111 127 Гибкость стойки 143 159 Построение зависимостей между гибкостью и критической силой при использовании различных теорий Использование оболочечных КЭ Создание расчетной модели Анализ устойчивости Возможное развитие Анализ устойчивости балок (местная и общая) и зданий в целом 2. Работа и расчет фланговых и лобовых угловых сварных швов Ознакомление с нормативной литературой Теоретические сведения Образец выполнения Образец выполнения Образец выполнения Образец выполнения Образец выполнения Образец выполнения Изополя главных напряжений, кН/м2 c отображением направлений главных площадок Теоретическое распределение напряжений в сварном фланговом соединении Образец выполнения Нормальные напряжения в средней пластине, сечение A-B, кН/м2 Образец выполнения Нормальные напряжения в накладке, сечение С-D, кН/м2 Образец выполнения Нормальные напряжения в средней пластине, сечение C-D, кН/м2 Образец выполнения Плоскость разрушения флангового шва Анализируемый фрагмент схемы Коэффициент концентрации и определение среднего напряжения Образец выполнения Среднее напряжение в шве по формуле СП (СНиП) «Стальные конструкции» Теоретический коэффициент концентрации Погрешность определения напряжений по СП и SCAD Возможное развитие Представляет интерес сравнение теоретической работы сварного шва (полученное в результате решения учебной задачи) и моделирование этого шва в ВК SCAD Office 3. Монтажный стык балки на высокопрочных болтах Расчетная схема и модель Расчетная схема Модель Моделирование болтовых соединений объединения перемещений Результаты расчета 1 1. 2. 2 3. 3 1. деформации 2. изополя напряжений NX 3. эпюра нормальных напряжений РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УСИЛИЙ В БОЛТОВЫХ СОЕДИНЕНИЯХ Вертикальная накладка Положе ние 1 ряд 2 ряд 3 ряд 4 ряд Ряд Rx, кН Rz, кН Rx, кН Rz, кН Rx, кН Rz, кН Rx, кН Rz, кН Первый 63,72 16,92 62,8 8,79 78,34 17,53 80,08 0,78 Второй 55,75 14,08 51,99 9,82 53,32 13,58 58,02 7,84 Третий 40,15 14,33 37,17 9,9 37,34 13,48 40,52 10,06 Четверт ый 23,95 14,16 22,19 9,67 22,19 14,17 24,03 11,7 Пятый 7,94 12,79 7,35 8,24 7,35 15,85 7,96 13,71 РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УСИЛИЙ В БОЛТОВЫХ СОЕДИНЕНИЯХ Горизонтальная накладка Ряд 1 Линия 1 151,01 Линия 2 2 3 4 5 6 7 8 9 10 86,66 73,65 82,93 142,64 139,77 80,73 72,02 85,93 152,52 98,62 64,55 108,84 110,2 65,97 101,78 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ Фактор Максимальное усилие N от момента Значение теоретическое экспериментальное 202,40 кН 127,44 23,74 кН 24 кН 1114,84 721,50 175,95 кН 101,11 кН Суммарное усилие на поясной полунакладке 2815,25 кН 3235,60 кН Суммарный момент, воспринимаемый поясными накладками 4645,16 кНм 5338,74 кНм 480 кН 5760 кНм 474,80 кН 6060,24 кНм Среднее значение поперечной силы Q Суммарный момент, воспринимаемый вертикальными накладками Среднее усилие в болте поясных накладок Общее усилие Q Общий момент М 4. Анализ местной устойчивости стенок и поясных листов металлических балок Расчетная схема балки Потеря местной устойчивости тонкостенных элементов Анализ местной устойчивости в программе КРИСТАЛЛ Расчетная модель балки Первая форма потери устойчивости. Коэффициент запаса устойчивости 0,805 Пятая форма потери устойчивости. Коэффициент запаса устойчивости 0,878 Сравнение результатов 5. Анализ напряженно-деформированного состояния баз металлических колонн Конструкция модели; 1 – анкерный болт 2 –опорная плита; 3 – анкерная плитка; 4 – траверса; 5 – вертикальное ребро; 6 – ветвь колонны Детали выполнения анкерного крепления базы колонны Схема приложения нагрузки к модели Работа односторонних связей; а — при нагружении фундамента; б — при отрыве ветви. Изополя моментов в опорной плите; сечения 1, 2 Эпюры по сечениям Цветовая карта реакций в опорной плите Напряженное состояние траверсы NX, МПа Сечение средней части траверсы, МПа Моменты Mx в анкерной плитке, Н мм/мм Виртуальные лабораторные работы по дисциплине «Железобетонные конструкции» • Испытание железобетонной балки с одиночной арматурой на изгиб с разрушением по нормальному сечению • Испытание железобетонной балки с двойной арматурой на изгиб с разрушением по нормальному сечению • Испытание предварительно напряженной железобетонной балки с двойной арматурой на изгиб с разрушением ее по нормальному сечению Упрощение расчетной схемы образца: а) - лабораторный стенд; б) - основа расчетной модели а) б) Основные параметры поперечного сечения Исходный набор конечных элементов. Результат копирования исходного набора КЭ для получения вертикального блока Установка арматурного стержня результаты расчета на шагах 1, 10, 20, 25, 32 Общий вид деформированной схемы. Некоторые результаты расчета на шагах 10 (окончание создания загружения предварительного напряжения), и шагов 18, 21, 25, 27, 35, 42,47. Деформированные схемы на стадии преднапряжения (10 шаг) и нагрузки (47 шаг) Виртуальные лабораторные работы по дисциплине «Деревянные конструкции» 1. Исследование напряженнодеформированного состояния клеедеревянной изгибаемой балки В работе используются A. Инженерные методы расчета B. Программы сателлиты ПК SCAD C. ПК SCAD D. Результаты натурных испытаний лабораторного образца Расчетная схема исследуемой балки А. Инженерные методы расчета Определение напряжений и деформаций по нормам проектирования В. Программы сателлиты ПК SCAD Использование программы ДЕКОР С. ПК SCAD Анализ различных КЭ моделей балки 1. Стержневая модель 2. Изотропная пластинчатая модель 3. Ортотропная пластинчатая модель 4. Модель из объемных элементов Ст ержневая модель Конечно-элементная модель балки Эпюра изгибающих моментов Деформированная ось Модель изотропной пластины Е =10000 МПа, ν90,0 = 0.45 Конечно-элементная модель балки Деформированная схема Распределение нормальных напряжений Модель ортотропной пластины Е =10000 МПа, ν90,0 = 0.45 Е90 =400 МПа, ν0,90 = 0.018 G90 = 500 МПа Модель из объемных элементов Конечно-элементная модель балки Деформированная схема Распределение нормальных напряжений Результаты численных исследований Напряже № Модель ние, σmax, МПа 1 Теоретическая Кисп I (Pi, кН) Прогиб, см (Pi, кН) Кисп II (Pi, кН) 1,60Pi 0,123Pi 0,122Pi - - - 0,122Pi - 3 Плоская изотропная SCAD 1,64Pi 0,126Pi 0,124Pi - 4 Объемная изотропная SCAD 1,71Pi 0,131Pi 0,124Pi - 5 По СП с учетом сдвига 1,60Pi 0,123Pi 0,137Pi 0,117Pi - 0.123Pi 0,138Pi 0,118Pi 0,151Pi 0,129Pi 0,137Pi* 0,117Pi* 2 Стержневая SCAD (48 элементов) 6 ДЕКОР (SCAD) 7 Плоская ортотропная SCAD 1,62Pi 0,125Pi D. Испытание лабораторного образца Схема испытательного стенда График изменения прогибов График упругих деформаций 7 6.498 6 5.68 Прогиб f, мм 5 4.83 4.074 4 3.214 3 2.405 2 1.594 1 0.809 0 0 0 1 2 3 4 5 Узловая нагрузка Pi, кН 6 7 8 Определение модуля упругости Сравнение результатов 1. Опорный узел деревянной фермы на лобовой врубке исходные данные КЭ модель 1. 1. объединение перемещений 2. реакции в площадке смятия 3. напряжения в площадке смятия 2. 3. Распределение напряжений по плоскости скалывания 3. 1. 2. 1. сечение плоскости скалывания 2. экспериментальные данные 3. опытные данные численного эксперимента Распределение напряжений по ослабленному сечению Ортотропная модель Изотропная модель деформации напряжения Использование программы ДЕКОР Расчет по нормам проектирования Сравнение результатов Коэффициент использования Фактор теоретическое "экспериментальное" изотропия ортотропия * ДЕКОР Условия смятия 0,88 0,94 0,91 0,805 Условия скалывания 0,66 0,54 0,57 0,659 Концентрация при скалывании 1,93 3,36 2,46 —** Ослабленное сечение 0,34 0,29 0,31 —* 3. Соединение на пластинчатых нагелях Цель работ ы 1. Изучить НДС изгибаемой балки из брусьев со сквозными пластинчатыми нагелями 1. Создать КЭ модель соединения в варианте с изотропными и анизотропными (ортотропия) свойствами; 2. Определить характер распределения напряжений в пластинках 3. Определить величину наибольшего сдвигающего усилия Т, возникающего в пластинке; 4. Построить эпюру нормальных напряжений в сечении балки; 5. Определить теоретические значения величин Т, ; 6. Проанализировать усилия при учете анизотропных свойств древесины (ортотропия); 7. Сравнить полученные практические и теоретические значения и сделать выводы. Порядок создания КЭ модели а) создание фрагмента одного бруса с длиной равной двойному шагу расположения нагелей (2S = 220 мм) и высотой в половину высоты балки (h/2); б) копирование созданного фрагмента по вертикали (Z) для создания полного сечения балки (h); в) дробление созданных пластин на конечные элементы размером 5х5 мм; г) создание вырезов под пластинчатые нагели размером 15x60 мм; д) создание элементов нагелей размером 12х58 мм и дробление их на КЭ; е) ввод нагрузок, жесткостей и условий взаимодействия элементов (объединение перемещений); ж) копирование фрагмента балки длиной 2S до заданной длины L балки Моделирование клеевых соединений сплачивание элементов при помощи объединения перемещений объединение по всем направлениям схема балки объединение по всем направлениям Анализ напряжений в моделях балки Изотропная модель Ортотропная модель изополя нормальных напряжений в опорной зоне и эпюры нормальных напряжений в среднем сечении балки Сравнение результ ат ов Фактор Перерезывающее усилие Т, кН Нормальное напряжение , МПа Максимальный прогиб, мм теоретическое Значение экспериментальное изотропия ортотропия 10,5 6,94 4,47 11,20 9,65 10,02 14,13 11,01 14,44 • Избегание трудностей, связанных с постановкой физического эксперимента. • Каждый студент выполняет индивидуальный эксперимент (количество вариантов исходных данных практически не ограничено). • Подтверждение автоматизированного расчета «ручным» позволяет студенту понять основные принципы заложенных в программный комплекс алгоритмов и методик («общение» с программой не как с абстрактным «черным ящиком»). • Необходимость выполнять исследовательскую работу (анализ ряда экспериментов, построение зависимостей, сравнение результатов). • Внедрение в учебный процесс современных информационно-коммуникационных технологий. Сафиуллин М. Н. safiullinmarat@list.ru УГНТУ, 2013
