Виртуальные лабораторные работы для студентов бакалавриата и магистрантов по направлению «Строительство» с применением SCAD Office ГОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет 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 контрольно- измерительных 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 Создание расчетной модели и анализ устойчивости по классической теории Анализ устойчивости по классической теории КОНСТРУКТОР СЕЧЕНИЙ Анализ устойчивости по методике норм проектирования Программа КРИСТАЛЛ Теории устойчивости Нормы проектирова ния Изменение одного из параметров системы и установление зависимостей Анализ результатов, формулирование выводов

Определение геометрических характеристик (КОНСТРУКТОР СЕЧЕНИЙ) Создание расчетной модели Определение формы потери устойчивости и критической силы Автоматизированный расчет стойки по нормам проектирования с помощью программы КРИСТАЛЛ

Определение критической силы по формуле Эйлера Определение критической силы по нормам проектирова ния

Построение зависимостей между гибкостью и критической силой при использовании различных теорий

Использование оболочечных КЭ Анализ устойчивости Создание расчетной модели

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

Изополя главных напряжений, кН/м 2 c отображением направлений главных площадок Теоретическое распределение напряжений в сварном фланговом соединении

Образец выполнения Нормальные напряжения в средней пластине, сечение A-B, кН/м 2

Образец выполнения Нормальные напряжения в накладке, сечение С-D, кН/м 2

Образец выполнения Нормальные напряжения в средней пластине, сечение C-D, кН/м 2

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 Модель Расчетная схема и модель

Моделирование болтовых соединений объединения перемещений

Результаты расчета деформации 2. изополя напряжений NX 3. эпюра нормальных напряжений 1 23

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УСИЛИЙ В БОЛТОВЫХ СОЕДИНЕНИЯХ Вертикальная накладка

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УСИЛИЙ В БОЛТОВЫХ СОЕДИНЕНИЯХ Горизонтальная накладка Ряд Линия 1151,0186,6673,6582,93142,64139,7780,7372,0285,93152,52 Линия 298,6264,55108,84110,265,97101,78

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ

Потеря местной устойчивости тонкостенных элементов Расчетная схема балки Анализ местной устойчивости в программе КРИСТАЛЛ 4. Анализ местной устойчивости стенок и поясных листов металлических балок

Первая форма потери устойчивости. Коэффициент запаса устойчивости 0,805 Пятая форма потери устойчивости. Коэффициент запаса устойчивости 0,878 Расчетная модель балки

Сравнение результатов

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 5. Анализ напряженно-деформированного состояния баз металлических колонн

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»

A. Инженерные методы расчета B. Программы сателлиты ПК SCAD C. ПК SCAD D. Результаты натурных испытаний лабораторного образца В работе используются 1. Исследование напряженно- деформированного состояния клеедеревянной изгибаемой балки

Расчетная схема исследуемой балки

Определение напряжений и деформаций по нормам проектирования А. Инженерные методы расчета

Использование программы ДЕКОР В. Программы сателлиты ПК SCAD

Анализ различных КЭ моделей балки 1. Стержневая модель 2. Изотропная пластинчатая модель 3. Ортотропная пластинчатая модель 4. Модель из объемных элементов С. ПК SCAD

Стержневая модель Конечно-элементная модель балки Эпюра изгибающих моментов Деформированная ось

Модель изотропной пластины Е =10000 МПа, ν 90,0 = 0.45 Конечно-элементная модель балки Деформированная схема Распределение нормальных напряжений

Модель ортотропной пластины Е =10000 МПа, ν 90,0 = 0.45 Е 90 =400 МПа, ν 0,90 = G 90 = 500 МПа

Модель из объемных элементов Конечно-элементная модель балки Деформированная схема Распределение нормальных напряжений

Результаты численных исследований Модель Напряже ние, σ max, МПа К исп I (P i, кН) Прогиб, см (P i, кН) К исп II (P i, кН) 1Теоретическая1,60P i 0,123P i 0,122P i - 2 Стержневая SCAD (48 элементов) --0,122P i - 3Плоская изотропная SCAD1,64P i 0,126P i 0,124P i - 4Объемная изотропная SCAD1,71P i 0,131P i 0,124P i - 5По СП с учетом сдвига1,60P i 0,123P i 0,137P i 0,117P i 6ДЕКОР (SCAD)-0.123P i 0,138P i 0,118P i 7Плоская ортотропная SCAD1,62P i 0,125P i 0,151P i 0,137P i * 0,129P i 0,117P i *

D. Испытание лабораторного образца

Схема испытательного стенда

График изменения прогибов

Определение модуля упругости

Сравнение результатов

1. Опорный узел деревянной фермы на лобовой врубке КЭ модель исходные данные

1. объединение перемещений 2. реакции в площадке смятия 3. напряжения в площадке смятия

Распределение напряжений по плоскости скалывания 1. сечение плоскости скалывания 2. экспериментальные данные 3. опытные данные численного эксперимента

Распределение напряжений по ослабленному сечению

Изотропная модель Ортотропная модель деформации напряжения

Использование программы ДЕКОР

Расчет по нормам проектирования

Сравнение результатов Фактор Коэффициент использования теоретическое "экспериментальное" ДЕКОР изотропия ортотропия * Условия смятия 0,880,940,910,805 Условия скалывания 0,660,540,570,659 Концентрация при скалывании 1,933,362,46** Ослабленное сечение 0,340,290,31*

1. Изучить НДС изгибаемой балки из брусьев со сквозными пластинчатыми нагелями Цель работы 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. 3. Соединение на пластинчатых нагелях

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 объединение по всем направлениям схема балки сплачивание элементов при помощи объединения перемещений

Готовая модель балки визуализация исследуемой модели схема закрепления модели

Изотропная модель Ортотропная модель Анализ напряжений в моделях балки изополя нормальных напряжений в опорной зоне и эпюры нормальных напряжений в среднем сечении балки

Изотропная модель исследование усилий, воспринимаемых пластинчатыми нагелями по длине сечения

Расчет по нормам проектирования

Сравнение результатов Фактор Значение теоретическое экспериментальное изотропияортотропия Перерезывающее усилие Т, кН 10,56,944,47 Нормальное напряжение, МПа 11,209,6510,02 Максимальный прогиб, мм 14,1311,0114,44

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. УГНТУ, 2013