В настоящей статье рассматриваются история развития и внедрения метода конечных элементов в России, а также популярные современные программные комплексы, в которых реализуется данный метод расчета.
Ключевые слова: метод конечных элементов, стальные конструкции, расчет узлов, IDEA StatiCa.
Метод конечных элементов (МКЭ) — это мощный численный метод для решения задач прикладной математики и физики, в том числе задачи статики и динамики в строительном проектировании. Этот метод позволяет рассчитать напряжения, деформации и другие важные параметры в элементах конструкций, которые могут иметь сложную геометрию, состав и пограничные условия.
Расчет узлов стальных конструкций методом конечных элементов (МКЭ) в СССР, как и во многих других областях науки и техники, развивался в контексте широких научных и инженерных исследований. Путь к применению МКЭ в строительстве и машиностроении был долгим и включал в себя работу множества ученых и инженеров, посвятивших себя разведке и разработке этого метода.
Вопрос о том, кто в СССР впервые задался проблемой расчета узлов стальных конструкций, объемен и многогранен, так как вклад в развитие метода конечных элементов внесено многими специалистами в различные периоды времени. Однако можно отметить несколько ключевых фигур и моментов, важных для развития МКЭ в строительстве и сопротивлении материалов в СССР.
Одной из таких ключевых фигур является, несомненно, Александр Павлович Хренников — канадский инженер русского происхождения. Считается, что он является основоположником идей, лежащих в основе метода конечных элементов. Результаты, полученные в докторской диссертации, Хренников опубликовал в статье « Solution of problems of elasticity by the framework method » [1] в 1941 году. Работу по той же теме двумя годами позднее опубликовал американский математик и инженер немецкого происхождения Рихард Курант. Несмотря на использование разных точек зрения в своих работах по поводу подхода к конечным элементам, они указали на одну общую существенную характеристику: разбиение сетки непрерывной области на набор отдельных элементов.
Широкомасштабное внедрение и популяризация МКЭ в СССР пришлись на 1960-е — 1970-е годы, когда метод начал активно использоваться для решения инженерных и конструкторских задач в различных областях, включая авиастроение, кораблестроение и, конечно, строительное проектирование.
Важно отметить, что интерес к методу конечных элементов в СССР, как и во всем мире, был стимулирован появлением и развитием вычислительной техники, что позволило значительно ускорить и упростить процесс расчетов сложных инженерных задач, в том числе расчет узлов стальных конструкций.
Еще одной весьма значительной фигурой, занимавшейся вопросом изучения и разработки узлов, является Валерий Михайлович Троицкий. Он один из ведущих советских и российских ученых в области стальных конструкций, доктор технических наук, профессор. Его научная и инженерная деятельность оказала значительное влияние на развитие строительства в СССР и России. Особое внимание в его работах уделяется вопросам проектирования и исследования стальных конструкций и каркасов многоэтажных зданий.
Труд «Исследование и совершенствование конструктивных форм и узлов металлических каркасов многоэтажных зданий» [2] Троицкого посвящен анализу и разработке оптимальных решений для узлов и элементов конструкций металлических каркасов. В данной работе рассматривается широкий спектр аспектов: от теоретических основ расчета и проектирования до практического применения полученных результатов для повышения эффективности и надежности строительных конструкций.
В сферу строительного проектирования и инженерных расчетов метод конечных элементов начал активно внедряться с 70-х годов 20 века. Это было связано с развитием и удешевлением вычислительной техники, что позволило проводить все более сложные расчеты в разумные сроки. МКЭ предоставил инструмент для анализа напряжений, деформаций и других параметров в точках соединения составных частей стальных каркасов, что было ключевым для обеспечения их надежности и долговечности. Ввиду особенностей материала, типов соединений и видов нагружения МКЭ также позволил точно моделировать эти аспекты, учитывая пластичность материала, работу соединений и влияние динамических и статических нагрузок.
Правильное проектирование узлов имеет критическое значение для обеспечения безопасности, надежности и долговечности здания. Здесь и находит свое применение МКЭ:
1) Анализ узловых соединений: сначала моделируется геометрия узла, после чего определяются материалы, граничные условия и нагрузки. Используя МКЭ, инженеры могут точно просчитать, как будет распределяться напряжение и какие деформации произойдут в узловых соединениях при различных нагрузках, включая ветровые, сейсмические или рабочие нагрузки.
2) Оптимизация конструкции: используя данные, полученные с помощью МКЭ, конструкторы могут выбрать наиболее подходящие размеры и формы элементов стального каркаса, а также типы соединений, что позволяет сократить вес и стоимость конструкции, не снижая ее надежности.
3) Предсказание поведения конструкции: МКЭ позволяет не только оценить текущее состояние узлов, но и предсказать, как они будут вести себя во время эксплуатации здания, что имеет решающее значение для предотвращения аварийных ситуаций.
Несмотря на все преимущества, использование МКЭ также предполагает ряд вызовов и ограничений. Это включает в себя необходимость обладания глубокими знаниями в области теории МКЭ и опыта работы с соответствующим программным обеспечением, а также учет вычислительных затрат на проведение сложных многопараметрических расчетов.
В России и по всему миру для расчета узлов стальных конструкций и анализа их работы с помощью метода конечных элементов широко используются различные специализированные программные пакеты. Расчет узловых соединений стальных конструкций требует высокой точности и учета множества факторов, которые эти программы способны предоставить инженерам и проектировщикам. Вот некоторые из наиболее популярных программ, используемых в этой области как в России, так и в международном масштабе:
1) ANSYS — один из мировых лидеров среди программ для комплексного анализа методом конечных элементов. Включает в себя широкий набор инструментов для моделирования различных физических процессов и явлений, включая механические, термические и другие виды анализа. Подходит для исследования сложных узлов стальных конструкций.
2) ABAQUS — еще одна мощная система для проведения расчетов методом конечных элементов. Характеризуется высокой точностью и гибкостью при моделировании сложных инженерных задач, включая поведение стальных конструкций под различными видами нагрузок.
3) SAP2000 — обширно применяется в инженерной практике для анализа и проектирования как простых, так и сложных конструкций. Программа широко распространена среди проектных организаций благодаря простому интерфейсу и богатым функциональным возможностям.
4) SCAD — российская разработка для проектирования зданий и сооружений различного назначения. SCAD Office представляет собой один из ведущих пакетов программ для проектирования в странах СНГ. Программа предлагает широкий спектр инструментов для расчета элементов и узлов стальных конструкций.
5) LIRA-SAPR — еще один популярный в России и странах СНГ программный комплекс, предназначенный для комплексного анализа и проектирования зданий и сооружений из любых материалов, включая сталь. Особое внимание уделено удобству работы с нормами и стандартами, актуальными для российской практики.
Еще одной довольно популярной программой, нацеленной на расчет различных узлов и соединений, считается IDEA StatiCa . Данная программа является передовым программным решением для анализа и расчета стальных конструкций и их соединений, разработанным чешской компанией IDEA RS . Она стала довольно популярной как в России, так и во многих других странах благодаря своей уникальности и полноте функций.
IDEA StatiCa пользуется заметной популярностью в профессиональной среде инженеров и проектировщиков благодаря своей способности эффективно решать сложные задачи, связанные с проектированием и анализом стальных конструкций. В России и странах СНГ программа становится все более востребованной из-за своей совместимости с местными нормами и стандартами. На международном уровне IDEA StatiCa активно применяется в таких странах, как США, Германия, Великобритания и др., где она ценится за высокую точность и гибкость при проектировании сложных инженерных решений.
Плюсы IDEA StatiCa
1) Инновационность: IDEA StatiCa использует уникальные методы анализа, такие как CBFEM ( Component Based Finite Element Model — Метод конечных элементов на основе компонентов), который позволяет с высокой точностью моделировать поведение соединений.
2) Пользовательский интерфейс: интуитивно понятный интерфейс и удобство использования делают программу доступной даже для начинающих пользователей.
3) Соответствие стандартам: программа обновляется в соответствии с последними мировыми стандартами и нормами, что позволяет проектировать соединения, удовлетворяющие требованиям различных стран.
4) Гибкость: IDEA StatiCa подходит для расчета различных типов соединений и стальных конструкций, от простых до очень сложных.
Минусы IDEA StatiCa
1) Стоимость: для некоторых малых фирм и частных инженеров-проектировщиков стоимость лицензии может быть весьма значительной.
2) Требования к обучению: несмотря на интуитивный интерфейс, для эффективного использования всех возможностей программы требуется время и обучение.
3) Ресурсоемкость: для работы программы могут потребоваться компьютеры с высокой производительностью, особенно при расчете сложных моделей.
Отличительные особенности от других программ
IDEA StatiCa отличается от других программ для расчета стальных конструкций инновационным подходом к анализу соединений через метод CBFEM , который обеспечивает высокую точность и надежность результатов. Также программа предлагает уникальные решения для проверки соединений согласно международным и локальным нормам, что делает ее весьма адаптируемой к различным строительным стандартам по всему миру. Эта гибкость облегчает работу инженеров в международных проектах и позволяет легко интегрироваться в различные строительные практики и нормативные требования.
Кроме того, значительное преимущество IDEA StatiCa заключается в ее способности обрабатывать как стандартные, так и очень сложные и нестандартные соединения стальных конструкций, благодаря чему инженеры могут реализовывать инновационные проектные решения и творческие идеи. Программа позволяет проводить сложные расчеты в режиме реального времени, что значительно экономит время на этапе проектирования и позволяет оперативно вносить необходимые корректировки.
Также IDEA StatiCa выделяется на фоне других программ своим комплексным подходом, предлагая не только расчет соединений, но и полноценный анализ целых конструкций. Это обеспечивает комплексное решение инженерных задач в одном программном обеспечении, минимизируя необходимость использования множества разных программ.
Несмотря на перечисленные достоинства, выбор программного обеспечения всегда остается индивидуальным решением, зависящим от конкретных задач проекта, доступных ресурсов и предпочтений инженера. Важно учитывать как функциональные возможности программы, так и квалификацию специалистов, работающих с ней, поскольку даже самые мощные и совершенные инструменты требуют соответствующих знаний и навыков для их эффективного использования.
Литература:
- «Solution of problems of elasticity by the framework method» — URL: https://www.google.ru/books/edition/Geschichte_der_Baustatik/iNFkCwAAQBAJ?hl=ru&gbpv=0/ (дата обращения: 01.06.2024)
- «Исследование и совершенствование конструктивных форм и узлов металлических каркасов многоэтажных зданий» — URL: https://search.rsl.ru/ru/record/01008417205 (дата обращения: 01.06.2024)
