COMPUTER MODELING AND NUMERICAL STUDIES OF NODAL JOINTS OF FRAME STRUCTURES

Full Text

Структурные конструкции относятся к классу пространственных решетчатых конструкций. Наиболее часто они применяются в качестве конструкций покрытий и перекрытий зданий. Обладая повышенной жёсткостью в сравнении с плоскими конструкциями покрытий, структурные конструкции могут применяться для перекрытия больших пролётов [1-5]. Особенностью структурных конструкций является необходимость выполнения трудоёмких узловых соединений [6-11]. В узлах данных конструкций могут сопрягаться до восемнадцати стержней [2, 9, 12]. Сложности исполнения узлов, а также сложности, связанные с изготовлением и монтажом структурных конструкций, являются основными причинами, ограничивающими их массовое использование. По конструктивным особенностям узловых соединений структурные конструкции подразделяют на типы. Известны структурные конструкции с узлами на листовых фасонках, на ванной сварке, с шаровым коннектором, с многогранником, со штампованной фасонкой, на болтах, на «ежах» и пр. [13-19]. Структурные конструкции воспринимают внешние нагрузки всеми своими элементами, поэтому каждое узловое соединение находится в сложном напряжённом состоянии. Конструкция узлового соединения во многом определяет надёжность и экономичность структурной конструкции. Надёжность узла пространственной конструкции можно проанализировать и спрогнозировать на стадии конструирования при помощи современных расчётных комплексов структурного анализа механических систем. Такие программные комплексы, как ANSYS, ABACUS, Autodesk Robot, SAP2000, STAAD, NASTRAN, Cosmos Works, LIRA, SCAD и др. позволяют выполнить анализ напряжённодеформированного состояния узлового соединения структурной конструкции [12, 14, 15, 18, 19]. Разнообразные узлы структурных конструкций приводят к подобным, объединяя их по типу. Среди узлов данных конструкций можно выделить два сильно отличающихся друг от друга типа - это узлы, выполняемые на основе массивной детали (Mero и др.), и узлы, выполняемые на основе тонких металли- Градостроительство и архитектура | 2016 | № 4 (25) 20 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ ческих листов (Юнистрэт и др.) [2, 4, 7]. Как показывают исследования, напряжённо-деформированные состояния узлов, выполняемых на основе массивной детали, и узлов, выполняемых на листовых фасонках, сильно отличаются [9, 12, 19]. Для массивных узлов характерны малая деформативность и наличие участков с относительно малым уровнем напряжений. Для узлов на листовых фасонках характерны податливость и наличие участков с уровнем напряжений, превышающим предел текучести материала. Рациональное (оптимальное) проектирование узлов структурных конструкций зависит от типа узлового соединения. Приёмы оптимального проектирования для массивных узлов и для узлов из тонкостенных элементов сильно отличаются. Поиск оптимального решения узла структурной конструкции можно организовать в виде итерационного процесса, при котором на каждом шаге конструирования меняется геометрический параметр узла и выполняется анализ его напряжённо-деформированного состояния средствами современных расчётных комплексов. Исследования показывают, что такой итерационный процесс для разных типов узлов удобно организовать по-разному. В узлах на основе массивной детали, как правило, жёсткость обеспечена с запасом, а распределение внутренних напряжений происходит по наиболее коротким направлениям от загруженных участков к опоре. Поэтому в массивных узлах можно найти участки, которые оказываются практически незагруженными, их можно «безболезненно» удалить. В узлах на листовых фасонках наблюдается большая деформативность, жёсткость узла приходится обеспечивать, используя специальные приёмы, а напряжения имеют локально сосредоточенный характер. Поэтому необходимо искать решения по локальному ужесточению и упрочнению таких узлов, например, путём установки рёбер или локальных утолщений фасонок. В данных узлах изначально заложен принцип концентрации материала, поэтому избыточный материал в их конструкции практически отсутствует. Авторами были выполнены исследования напряжённых состояний указанных типов узлов. Объектами исследований выбраны узел МАРХИ и узел авторской разработки, выполненный на листовых фасонках [20]. Цель исследований - установление фактического напряжённо-деформированного состояния узлов различного типа и поиск путей их конструктивного улучшения. Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи: 1. Выбор инструмента (средства) для анализа напряжённо-деформированного состояния узлов указанных типов. 2. Построение достоверных геометрических моделей объектов исследования, позволяющих учесть все их конструктивные особенности. 3. Создание расчётных моделей объектов исследования с максимально достоверным их описанием. 4. Расчёт объектов и анализ полученных результатов. В качестве инструментов для исследований были выбраны расчётные комплексы LIRA, Cosmos Works, DesignSpace, SCAD. Все они работают на основе метода конечных элементов и способны выполнять анализ напряжённо-деформированного состояния твёрдых тел. Выбор нескольких расчётных комплексов был обоснован стремлением ограничить влияние особенностей отдельных комплексов на конечный результат, попыткой избавиться от возможных расчётных и программных ошибок комплексов, стремлением нивелировать влияние расчётных параметров комплексов (типы конечных элементов, создание сетки конечных элементов, возможности описания граничных условий, нагрузок и контактов деталей и пр.) на конечный результат расчёта. Для анализа в расчётных комплексах Cosmos Works и DesignSpace геометрические модели объектов исследования были построены при помощи программного комплекса Solid Works. Для анализа объектов в расчётных комплексах LIRA, SCAD геометрическая модель строилась средствами самих расчётных комплексов. При создании расчётных моделей использовались индивидуальные особенности каждого расчётного комплекса для создания максимально достоверного описания моделей. Модели, построенные различными комплексами, имели некоторые отличия. Общими для полученных моделей были: общая геометрия (за исключением отдельных малых подробностей, таких как, например, скругление кромок), физико-механические характеристики материала, характер загружения и характер граничных условий. Распределение внутренних напряжений в массивном теле с внутренними пустотами в виде «пересечения отверстий» под болты имеет характерный для кристаллических структур вид. Напряжения концентрируются от мест приложений усилий и по кратчайшим расстояниям перераспределяются на опору. Имеющаяся пустотность массивного тела в верхней его части (места установки болтов) вызывает концентрацию напряжений в «узких» местах. В нижней части массивного тела коннектора (ближе к опорной плоскости), где материала больше, а пустотность меньше, уровень напряжённости снижается. Поверхностные участки коннектора, находящиеся на удалении границ контактов коннектор-гайка и коннектор-болт, оказываются относительно мало задействованными в силовой работе узла. Речь идёт об 21 Градостроительство и архитектура | 2016 | № 4 (25) В.Ю. Алпатов, А.О. Лукин, А.А. Сахаров, Д.И. Жученко участках рёбер наружных граней многогранника коннектора. В этих местах материал может быть совсем убран, вследствие чего внешне коннектор из многогранника превратится сначала в шар (характерный для узла Меро), а далее в более сложную фигуру. В процессе итерационного изменения геометрии узла, выполненного на основе массивной детали, наблюдалось вырождение массивного тела в элемент, похожий на кристалл (рис. 1). После удаления «избыточного» материала после каждой итерации получался облегчённый узел, все более удаляющийся от понятия массивное тело. Для узла, выполненного на листовых фасонках, был реализован итерационный процесс по добавлению материала. В результате реализации данного алгоритма узел преобразовывался, приходя к более жёсткой конструкции за счёт добавления рёбер и локальных утолщений (рис. 2). Выводы. 1. В результате расчёта каждого из двух узлов в четырёх расчётных комплексах были построены картины распределения напряжений и картины деформирования. Найдены их «слабые места» и мало загруженные участки. 2. Установлено, что результаты расчётов, выполненных с использованием различных расчётных комплексов, имеют приемлемую сходимость. Погрешность при вычислении напряжений не превышает 10 %. 3. Алгоритм итерационного поиска оптимальной геометрии узла удобно организовать: для массивной детали - путем удаления «лишнего» материала; для листовых фасонок - путём добавления «недостающего» материала. 4. В узле, выполненном на основе массивной детали, имеются участки с малыми напряжениями, которые можно «безболезненно» удалить. В результате последовательного удаления «лишнего» материала из детали геометрия узла стремится приобрести форму, схожую с кристаллом. 5. В узле, выполненном на листовых фасонках, наблюдается большая деформативность, а напряжения имеют локально сосредоточенный характер. В результате последовательного добавления материала в виде рёбер и локальных утолщений фасонок узел преобразовывается, приходя к более жёсткой конструкции.

About the authors

Vadim Yu. ALPATOV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Alexey O. LUKIN

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Andrey A. SAKHAROV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Dmitry I. ZHUCHENKO

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files