Расчет монтажного стыка клеёных деревянных конструкций с применением композитных материалов в программном комплексе ANSYS | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 22 августа, печатный экземпляр отправим 9 сентября.

Опубликовать статью в журнале

Авторы: , ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №26 (316) июнь 2020 г.

Дата публикации: 28.06.2020

Статья просмотрена: 5 раз

Библиографическое описание:

Нижегородцев, Д. В. Расчет монтажного стыка клеёных деревянных конструкций с применением композитных материалов в программном комплексе ANSYS / Д. В. Нижегородцев, А. А. Улько, А. С. Харламова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 26 (316). — С. 47-52. — URL: https://moluch.ru/archive/316/72149/ (дата обращения: 08.08.2020).



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).

Схема расчета в ANSYS

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].

Геометрия используемых при расчете конечных элементов: а) твердого тела SOLID185, б) пластины SHELL281, в) стержневого элемента BEAM188

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.

Модель монтажного стыка

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

https://sun1-98.userapi.com/cT0lq7pkxWTKFM1HOreX3e5s6LdS4A1AIOyWcA/2CyrRVUW0ck.jpg

https://sun1-28.userapi.com/bzNxoo9UXiCMRS7gJRSmr1WexEz4WNcMeffwQQ/6f1XUUAU4oI.jpg

Изополя перемещений

Рис. 4. Изополя перемещений

https://sun1-27.userapi.com/swBWQTJsrTT21hYbeJ8qgJOnxLgGIUZEkn7xXg/jFjgEqLWmTg.jpg

Изополя напряжений

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:

  1. СП 295.1325800.2017. Конструкции деревянные клееные на вклеегых стержнях. Методы расчета. М.: Минстрой России, 2017, 40 с.
  2. СП 64.13330.2011. Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-22–81. — Москва, 2011–66 с.
  3. 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.
Основные термины (генерируются автоматически): ANSYS, монтажный стык, программный комплекс, максимальное перемещение, элемент, напряжение, напряженное состояние, сжатая зона, зона контакта, модуль упругости.


Ключевые слова

напряжение, ANSYS, метод конечных элементов, перемещение, древесина, углепластик, базальтопластик, изополя

Похожие статьи

Применение программного комплекса ANSYS в компьютерном...

В статье представлены известные и современные программные комплексы для компьютерного моделирования конструкций, изделий и их составных частей. Программы основаны на методе конечных элементов, как метод численного моделирования и анализа.

Анализ напряженно-деформированного состояния элементов...

В данной статье описывается разработка конструкции аппарата наружной фиксации переломов тазового кольца, а также анализ напряженно-деформированного состояния разработанного аппарата фиксации таза с использованием пакет SolidWorks и ANSYS.

Определение преднапряженного состояния гнутоклееной балки...

В статье приводятся результаты конечно-элементного моделирования и оценки начального напряженно-деформированного состояния (НДС) гнутоклееной балки.

Конечно-элементное (КЭ) моделирование и анализ НДС балки выполняются в программном комплексе ANSYS.

Сравнение теоретических данных напряженно-деформированного...

Сравнение теоретических данных напряженно-деформированного состояния крестового свода с данными численного эксперимента.

В статье [6] описана попытка моделирования кирпичного свода в программном комплексе SCAD, при которой удалось оценить вид распределения...

Расчет напряженно-деформированного состояния рамы...

В статье рассматривается напряженно-деформированное состояние рамы навесного плуга, полученное в программном комплексе ANSYS. Ключевые слова: плуг, рама, прочность, метод конечных элементов, напряженно-деформированное состояние.

Результаты конечно-элементного моделирования конструкций...

ANSYS (ANSYS, Inc) — многоцелевая программа, предназначенная для решения задач механики деформируемого твердого тела, механики жидкости и газа, теплопереноса, электромагнетизма, оптимизации, а также связанных задач механики деформированного твердого тела и...

Анализ методов расчета деформаций нежёстких дорожных одежд

Предложен метод конечных элементов (МКЭ) как наиболее эффективный для расчета дорожных покрытий с учетом реальной работы оснований и основных факторов, отраженных в нормативных документах и представленных в инструкциях по проектированию дорожных одежд.

Расчет многорядных соединений на вклеенных шайбах...

Настоящая работа является логическим продолжением опубликованных ранее работ [1],[2],[3],[4]. Расчет выполнен с помощью проектно-вычислительного комплекса SCAD. Комплекс реализует, конечно-элементное, моделирование статических и динамических расчетных схем...

Теоретические исследования напряжено-деформируемого...

SCAD, программный комплекс, расчетная схема, напряжение, ANSYS, Выравнивание осей, ось, результат расчета, результат расчетов.

Определяем напряжения в расчётных точках балки и проводим проверку на прочность по первой группе предельных состояний по...

Оптимизация диска турбины ГТД в упругой постановке с помощью...

В статье рассмотрена оптимизация диска турбины ГТД по массе в упругой постановке в программном комплексе ANSYS Mechanical APDL. Ключевые слова: оптимизация, снижение массы, диск ГТД, упруго-пластичная задача, ANSYS Mechanical APDL.

Похожие статьи

Применение программного комплекса ANSYS в компьютерном...

В статье представлены известные и современные программные комплексы для компьютерного моделирования конструкций, изделий и их составных частей. Программы основаны на методе конечных элементов, как метод численного моделирования и анализа.

Анализ напряженно-деформированного состояния элементов...

В данной статье описывается разработка конструкции аппарата наружной фиксации переломов тазового кольца, а также анализ напряженно-деформированного состояния разработанного аппарата фиксации таза с использованием пакет SolidWorks и ANSYS.

Определение преднапряженного состояния гнутоклееной балки...

В статье приводятся результаты конечно-элементного моделирования и оценки начального напряженно-деформированного состояния (НДС) гнутоклееной балки.

Конечно-элементное (КЭ) моделирование и анализ НДС балки выполняются в программном комплексе ANSYS.

Сравнение теоретических данных напряженно-деформированного...

Сравнение теоретических данных напряженно-деформированного состояния крестового свода с данными численного эксперимента.

В статье [6] описана попытка моделирования кирпичного свода в программном комплексе SCAD, при которой удалось оценить вид распределения...

Расчет напряженно-деформированного состояния рамы...

В статье рассматривается напряженно-деформированное состояние рамы навесного плуга, полученное в программном комплексе ANSYS. Ключевые слова: плуг, рама, прочность, метод конечных элементов, напряженно-деформированное состояние.

Результаты конечно-элементного моделирования конструкций...

ANSYS (ANSYS, Inc) — многоцелевая программа, предназначенная для решения задач механики деформируемого твердого тела, механики жидкости и газа, теплопереноса, электромагнетизма, оптимизации, а также связанных задач механики деформированного твердого тела и...

Анализ методов расчета деформаций нежёстких дорожных одежд

Предложен метод конечных элементов (МКЭ) как наиболее эффективный для расчета дорожных покрытий с учетом реальной работы оснований и основных факторов, отраженных в нормативных документах и представленных в инструкциях по проектированию дорожных одежд.

Расчет многорядных соединений на вклеенных шайбах...

Настоящая работа является логическим продолжением опубликованных ранее работ [1],[2],[3],[4]. Расчет выполнен с помощью проектно-вычислительного комплекса SCAD. Комплекс реализует, конечно-элементное, моделирование статических и динамических расчетных схем...

Теоретические исследования напряжено-деформируемого...

SCAD, программный комплекс, расчетная схема, напряжение, ANSYS, Выравнивание осей, ось, результат расчета, результат расчетов.

Определяем напряжения в расчётных точках балки и проводим проверку на прочность по первой группе предельных состояний по...

Оптимизация диска турбины ГТД в упругой постановке с помощью...

В статье рассмотрена оптимизация диска турбины ГТД по массе в упругой постановке в программном комплексе ANSYS Mechanical APDL. Ключевые слова: оптимизация, снижение массы, диск ГТД, упруго-пластичная задача, ANSYS Mechanical APDL.

Задать вопрос