В работе проведен расчет монтажного стыка отправочных марок полуарок в программном комплексе ANSYS с помощью метода конечных элементов (МКЭ) с использованием композитным материалов (базальтопластиковые стержни и углепластиковые пластины). В результате получены изополя напряжений и перемещений конструкции. Расчет в программном комплексе ANSYS позволяет провести сравнительный анализ результатов, полученных по СП 382.1325800.2017 [1] и СП 64.13330.2017 [2]. Сравнительный анализ имеет смысл, потому что в нормах недостаточно информации о композитных материалах.
Ключевые слова: ANSYS, древесина, метод конечных элементов, углепластик, базальтопластик, изополя, напряжение, перемещение.
Программный комплекс ANSYS, являющийся CAE-системой, предназначен для решения различных научных и инженерно-технических задач (расчеты на прочность, как линейные, так и нелинейные, теплообмен, гидродинамику, различные смешанные задачи). Математической основой, на которой построен вычислительный аппарат этого продукта, является метод конечных элементов (МКЭ).
Рис. 1. Схема расчета в ANSYS
В рамках работы с программным комплексом ANSYS общий порядок решения задачи с применением МКЭ состоит из следующих этапов:
1) идентификация задачи, присвоение ей имени;
2) создание геометрической модели;
3) разбивка модели на сетку конечных элементов;
4) задание граничных условий;
5) численное решение системы уравнений (автоматически);
6) анализ результатов.
Для проведения численных исследований напряжений и деформаций в запланированном узле, а также верификации полученных результатов в программе ANSYS Workbench в модуле Static Structural была создана расчетная модель:
После определения геометрии для каждой модели запрограммированы определенные характеристики материалов (углепластик, базальтопластик, КДК), чтобы создать максимально приближенную к реальности соединение.
Таблица 1
Исходные данные для моделирования стыка
|
Наименование хар-ки |
Базальтопластик |
Углепластик |
|
Плотность, кг/м 3 |
3000 |
1580 |
|
Коэффициент Пуассона |
0,22 |
0,09 |
|
Модуль упругости, МПа |
57650 |
51000 |
|
Прочность на растяжение, МПа |
1113 |
885 |
|
Прочность на сжатие, МПа |
300 |
500 |
Исходные данные для базальтопластика приняты на основании экспериментальных данных, приведенных магистерской диссертации, по углепластику на основании экспериментов [3].
Физико-механические характеристики клееной древесины задавались с использованием модели материалов Anisotropic Elasticity, для задания материала арматуры — Isotropic Elasticity с определенной плотностью и модулем упругости для каждого материала соответственно. Разрабатываемая методика численных испытаний основана на моделировании с помощью конечных элементов.
Создана конечно-элементная модель монтажного стыка сегментов полуарок, представляемая в виде балки для упрощения расчета, с размерами 7680х2046х360 мм, со стыком в центре во всю высоту. С обоих поясов балки закреплены пластины, в сжатой зоне размерами 6600х360х40 мм, в растянутой — 7240х360х40 мм. Расположение нагелей согласно Рис. 2.4.
Геометрия используемых при расчете конечных элементов приведена на Рис. 2 [4].
Рис. 2. Геометрия используемых при расчете конечных элементов: а) твердого тела SOLID185, б) пластины SHELL281, в) стержневого элемента BEAM188
На Рис. 3 представлена трехмерная модель рассчитываемого узла с нанесённой на нее тетраэдрической сеткой конечных элементов.
Рис. 3. Модель монтажного стыка
Сетка была создана посредством встроенного автоматического генератора объемных сеток. При моделировании клеевого соединения учитывалась нелинейность, связанная с наличием сил трения по поверхностям контакта (плоскости соприкосновения древесина-углепластик). Рассматривались разные варианты сеток. Размер и тип сетки существенно влияет на результаты расчета. С точки зрения сходимости и скорости расчета предпочтительней сетка с измельчением в зоне контакта.
Основной особенностью рассматриваемой конструкции является контактное взаимодействие тел [4] учет которого позволяет моделировать поведение составляющих ее элементов в процессе деформирования и разрушения. Напряженное состояние в контактных зонах крайне многообразно. Поверхности могут вступать и выходить из контакта внезапно. На напряженное состояние значительно влияет трение, и его необходимо принимать в расчет.
При учете трения в зонах контакта решение задачи существенно зависит от последовательности приложения внешних нагрузок, а в точках, входящих в контакт и выходящих из него, реализуются сложные программы нагружения [4].
В контакте выделяют две взаимодействующие поверхности — контактную пару. Одна из поверхностей условно называется «контактной», а вторая — «целевой». Выбор модели контакта — важнейший вопрос при решении контактных задач.
На торцы сегментов полуарки установлены граничные условия, препятствующие перемещения данного элемента по трем направлениям (конструкция жестко закреплена). На поверхность верхней пластины по центру в стык приложена нагрузка в 76,59 кН для создания силового воздействия, также добавлен параметр со стандартным земным притяжением по оси Y. На торцы сегментов полуарок добавлена продольная растягивающая сила равная 458,46 кН.
Для приближения расчета к испытаниям в реальной жизни в программе задан параметр передачи усилия пошагово — ступенями по 1кН. Для всей модели после проведения испытания установлены максимальное перемещение и максимальная возникающая нагрузка.
Изополя перемещений и напряжений приведены на Рис. 4,5
Рис. 4. Изополя перемещений
Рис. 5. Изополя напряжений
Согласно, компьютерному анализу, максимальное перемещение создается в месте контакта конструктивных поперечных стержней и пластины, расположенной в сжатой зоне, и равняется 0,65 мм.
Максимальные эквивалентные напряжения возникают по ширине пластины в зоне монтажного стыка и равняются 26,83 МПа.
Максимальное перемещение монтажного стыка показано на изополях перемещения и равно 0,65 мм.
До разрушения нагели работают упруго, однако после образования шарнира и характерного волнообразного скачка, видимого на кривой растяжения, образцы стремятся принять исходное положение несмотря на то, что полимерная матрица в точках с максимальными усилиями растрескалась и перестала обеспечивать жесткость соединения в целом. Разрушение образцов как со стальными, так и с композитными нагелями предсказуемо и прогнозируемо при помощи расчетных моделей строительной механики. Ссылаясь на результаты, можно сказать, что использование базальтопластика и углепластика, как замену стали, имеет место быть.
Литература:
- СП 295.1325800.2017. Конструкции деревянные клееные на вклеегых стержнях. Методы расчета. М.: Минстрой России, 2017, 40 с.
- СП 64.13330.2011. Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-22–81. — Москва, 2011–66 с.
- Железняк, Вячеслав Геннадьевич. Связующие для полимерных композиционных материалов с повышенной вязкостью разрушения: автореферат дис... кандидата технических наук: 05.17.06 / Железняк Вячеслав Геннадьевич; [Место защиты: Гос. науч. центр РФ]. — Москва, 2014. — 17 с.
