CC BY
32
Интернет-журнал «Науковедение» ISSN 2223-5167 http ://naukovedenie.ru/
Том 9, №2 (2017) http://naukovedenie.ru/vol9-2.php
URL статьи: http://naukovedenie.ru/PDF/81TVN217.pdf
Статья опубликована 19.05.2017
Ссылка для цитирования этой статьи:
Рогов В.Е., Балданов А.Б., Курохтин В.Ю. Компьютерное моделирование несущих стержневых элементов мобильных зданий из полимерных композиционных материалов // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 9, №2 (2017) http://naukovedenie.ru/PDF/81TVN217.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
Работа выполнена при поддержке госзадания Минобрнауки РФ, проект № 9.7667.2017/БЧ УДК 728:621.763:004.9
Рогов Виталий Евдокимович
ФГБУН «Бурятский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук», Россия, Улан-Удэ
Ведущий инженер по патентам и лицензиям Доктор технических наук, профессор E-mail: rogov54v@mail.ru РИНЦ: http://elibrary.ru/author items.asp?id=56298
Балданов Алдар Батомункуевич
ФГБОУ ВО «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления», Россия, Улан-Удэ1
Ассистент
E-mail: baldanovaldar@rambler.ru РИНЦ: http://elibrary.ru/author items.asp?id=659036
Курохтин Вениамин Юрьевич
ФГБОУ ВО «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления», Россия, Улан-Удэ
Ассистент
E-mail: kurokhtin91@gmail.com РИНЦ: http://elibrary.ru/author items.asp?id=717863
Компьютерное моделирование несущих стержневых элементов мобильных зданий из полимерных
композиционных материалов
Аннотация. Разработана мобильная сборно-разборная конструкция тентового типа с использованием полимерных композиционных материалов (ПКМ), предназначенная для работы в труднодоступных местах. Представлены результаты исследований использования полимерных композиционных материалов в несущих стержневых элементах мобильных зданий и сооружений и основные технические параметры полимерных композиционных материалов. Обосновано применение стержневых профилей из полимерных композиционных материалов в быстровозводимых зданиях и сооружениях, в элементах мобильных, сборно-разборных конструкций. Проведен краткий обзор результатов исследований и опыта применения полимерных композиционных материалов в различных отраслях промышленности, в т.ч. строительной. Разработана трехмерная модель сборно-разборной конструкции тентового типа с использованием системы автоматизированного проектирования. Для исследования напряженно-деформированного состояния конструкций из полимерных
1 670013, Респ. Бурятия, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, д. 40в, стр. 1
композиционных материалов с учетом особенностей материала и реальных условий нагружения использованы численные методы и пакеты прикладных программ: MathCad, SolidWorks, Ansys Workbench, Ansys mechanical. Проведена серия численных экспериментов с учетом свойств материала, углов армирования, количества слоев. Разработан алгоритм передачи 3d-модели, созданной в SolidWorks, в расчетную систему Ansys mechanical, что позволяет предварительно оценить на этапе проектирования поведение конструкции под нагрузкой. Результаты показали, что применение полимерных композиционных материалов снизило вес конструкции в 2,5 раза, выявлено преимущество по долговечности, износоустойчивости и устойчивости к воздействию агрессивных сред.
Ключевые слова: cad/cam-системы; компьютерное моделирование; полимерный композиционный материал; строительные конструкции; мобильные конструкции; сборно-разборные конструкции тентового типа
На мировом рынке строительной индустрии в настоящее время наблюдается увеличение объемов применения композиционных материалов. В России, благодаря государственной программе "Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности", ожидается рост объема внутреннего производства продукции композитной отрасли: к 2020 году должен составить 120 млрд руб., а объем потребления продукции отрасли на душу населения составит не менее 1,5 кг (в 2013 г. было 0,26 кг). Перспектива использования армированных композиционных материалов очевидна, поскольку, используя надлежащий выбор свойств компонентов, их соотношения, структуру композитов, можно получить материал с заданными свойствами [6]. В 60-e годы XX века авторами И.М. Гринем, К.Е. Джан-Темировым отмечено, что конструкции с применением ПКМ целесообразно применять в отдаленных и сейсмических районах, в условиях вечной мерзлоты, на территориях, где необходимо уменьшить массу конструкций, сократить транспортные и монтажные работы. В современных силовых конструкциях наибольшее распространение получили волокнистые композиционные материалы, состоящие из сравнительно податливой полимерной матрицы, армированной высокопрочными непрерывными стеклянными, органическими, углеродными или борными волокнами. Наибольшее распространение получили полимерные композиционные материалы (ПКМ) в авиакосмической промышленности, благодаря легкому весу и прочности [2].
Применение ПКМ актуально в мостостроении, в строительстве производственных и складских сооружений. Использование ПКМ в конструкциях необходимо в местах, где нужно уменьшить вес, сократить транспортные и монтажные работы [10]. К таким конструкциям можно отнести мобильные сборно-разборные здания и сооружения. В работе разработан алгоритм компьютерного моделирования мобильных конструкций из ПКМ и сделан расчет на прочность. Аналогом данной конструкции служит монгольская юрта, каркас которой выполнен из древесины. Решетчатые складные стенки, изготовленные из реек, шарнирно закреплены между собой, юрта покрыта войлоком, поверх которого натягивают брезент. Крыша представляет купол, образованный из жердей, закрепленных по центру (рис. 1а) [1].
Рисунок 1. а - традиционная монгольская тентовая конструкция «юрта», б - износ деревянных элементов (составлено авторами)
При эксплуатации такой конструкции наблюдается потеря жесткости деревянного каркаса и устойчивости элементов, снижение прочности при сборке-разборке (2-3 в год), появление трещин в местах соединения реек и износ элементов на нижних частях опор (рис. 1б). Для увеличения прочности, уменьшении веса каркаса, сделана замена деревянных элементов на ПКМ. Материал конструкции - стеклопластик промышленной марки стеклоткани - Т-25 (ВМ) ТУ 6-11-380-76. Для исследования напряженно-деформированного состояния конструкции из ПКМ с учетом особенностей материала и реальных условий нагружения использовали численные методы инженерного анализа и пакеты прикладных программ: MathCad, SolidWorks, Ansys Workbench, Ansys mechanical. Разработана трехмерная модель сборно-разборной конструкции тентового типа с использованием системы автоматизированного проектирования (САПР) SolidWorks [3]. Проведены серии численных экспериментов с учетом свойств материала, направления волокон в каждом слое. Методика расчета представлена на рисунке 2.
Рисунок 2. Алгоритм расчета на прочность элементов строительных конструкций из ПКМ
(разработано авторами)
На этапе задания предварительной модели определяется форма будущей конструкции и его элементов, учитывается технология изготовления элементов конструкции из ПКМ, условия эксплуатации, конструкторская разработка [5]. На втором этапе вычисляем упругие характеристики ПКМ с учетом материала наполнителя и матрицы, направления волокон и толщины с помощью системы MathCad. Далее создаем геометрическую модель конструкции с использованием графического интерфейса программы ANSYS или CAD-систем при сложных объектах [7]. Проводим предварительную проверку разработанной CAD-модели конструкции, потому что при использовании несколько элементов 3d-модели в системе ANSYS Workbench возникают ошибки при конвертировании модели из CAD-систем в Ansys Mechanical. При проверке необходимо добиться, чтобы модель конструкции, созданная в CAD-системе, была «тонкостенной». На последнем этапе делаем расчет конструкции.
Расчет нагрузок выполнен в соответствии с требованиями СП 20.13330.2011, представленными в таблице 1. При расчете были учтены: направления ветра, снеговые
нагрузки, собственный вес конструкции, не учитывались температурные климатические воздействия (величина второй степени малости).
Таблица 1
Расчет нагрузок
Нагрузка на площади, равной 1 м2 Снеговые нагрузки 1 Снеговые нагрузки 2 Снеговые нагрузки 3 Ветровые нагрузки 1
кПа 3.5 5.34 4 -0.545
Составлено авторами
В качестве примера выбран участок каркаса - решетки стены тентовой конструкции, на которую приходится максимальная нагрузка. Каркас конструкции представлен в виде пакета слоев, заданы свойства отдельных слоев (монослоя - стеклопластик) (рис. 3). Характеристики стеклопластика: Е = 5'4 104 МПа, Е =12 104 МПа, ^ = °,51°4 МПа, ^ = 0,28. Толщина монослоя Ь=0.2 мм [9]. Общее количество слоев п=34.
Рисунок 3. А - композит, состоящий из однонаправленных монослоев [5, 8]; б - структура пакета КМ, в - монослой
Определены характеристики жесткости пакета композита по известным жесткостным характеристикам монослоя [4]. В таблице 2 приведены жесткостные характеристики многослойного ПКМ.
Таблица 2
Жесткостные характеристики многослойного КМ
Ех Еу Оху №ху №ух
3.924*1010 Па 3.248*1010 Па 7.118*109 Па 0.248 0.205
Составлено авторами
Размеры решетки стены 2 м*1 м. Сверху на конструкцию приложены снеговые нагрузки, сбоку - ветровые (рис. 4).
Рисунок 4. а - 3d модель тентовой конструкции; б - участок решетки стены; в - расположение монослоев (составлено авторами)
Расчет сделан в системе Ansys Mechanical. Для расчета стержня из стеклопластика использовали многослойный элемент - SOLID-46. Это многослойный вариант 8-узлового трехмерного твердого элемента с тремя степенями свободы на каждый узел (UX, UY, UZ). Элемент разработан для моделирования многослойных оболочек или многослойных твердых тел. Численное решение нелинейной задачи проводилось пошаговым методом. Данный метод использует нелинейный статический расчет с постепенным увеличением нагрузок до уровня, при котором модель становится нестабильной. Это позволяет включать в модель такие особенности материала, как начальные отклонения формы, пластические свойства, зазоры и т.д. [8].
Результаты расчета НДС каркаса представлены на рисунке 4. Анализ численного эксперимента показал, что верхняя часть решетки стены (рис. 4а, б) выдерживает максимальную нагрузку. Максимальные перемещения в осевом направлении Uy наблюдаются при схеме армирования [0°/60°/120°] и составляют по модулю 0,5 мм. Минимальное осевое перемещение Uy отмечается при схеме армирования [0°/±45°] и составляет 0,467 мм по модулю. Максимальное напряжение на опоры реек равно 195,66 МПа. При армировании [0°/±45°] каркас конструкции может выдержать максимальные напряжения 82,989 МПа. Результаты расчета представлены в таблице 3.
Таблица 3
Максимальные нормальные напряжения и перемещения в решетке стены из ПКМ при различных схемах армирования (составлено авторами)
Результаты численных расчетов [0°/90°/±45°] [0°/60°/120°] [0°/±45°]
Нормальные перемещения их, мм 0,253 0,251 0,252
Нормальные перемещения иу, мм -0,475 -0,499 -0,467
Нормальные перемещения №, мм 0,097 0,097 0,097
Нормальные напряжения ах, МПа -127,760 -125,690 -123,660
Нормальные напряжения ау, МПа -85,400 -85,927 -82,989
Нормальные напряжения аz, МПа -193,930 190,330 -195,660
AHSVS • И1145 .030336 .01»5(М .060
а - эквивалентные напряжения по Мизесу (Па) б - пластические деформации (м)
DM1 y^(SVG) V S-fbb4251 ;>' ./Г^Ь V JF^V. „ii'N^ -з\.з Ж ^^ ^^ Ж ^^ Ж Ж ^ = ^V^T ^SbS шш
^^^^^^^^^^ ^^^ -1620.э;"4^^2 -Ыв.О^Ьц^623 в - напряжения по оси X (Па) File: Telo г - напряжения по оси Y (Па)
Рисунок 4. Результаты расчетов каркаса из ПКМ в системе ANSYS (разработано авторами)
Численные расчеты подтвердили предварительные аналитические расчеты использования различных материалов и схем армирования, проведенных в работе [3]. Для выбранного материала стеклопластика оптимальной с точки зрения прочности и жесткости изделия является квазиизотропная схема армирования. Схема армирования [0°; ±45°] обеспечивает достаточную жесткость конструкции, максимальные перемещения реек каркаса не превышают 0,467 мм, что соответствует прочности деревянной конструкции. При этом в усовершенствованной конструкции из ПКМ используется 42 рейки вместо 63 деревянных, в результате чего вес конструкции снизился в 2,5 раза. На разработанную конструкцию каркаса из ПКМ получен патент на полезную модель [9].
ЛИТЕРАТУРА
1. Балданов А.Б. Моделирование каркаса юрты из композиционных материалов. Ползуновский альманах. 2013. № 2. С. 74-77.
2. Бохоева Л.А. Исследование устойчивости пластин из слоистых композиционных материалов с дефектами типа сквозное отслоение. Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2007. № 2. С. 7-16.
3. Бохоева Л.А., Балданов А.Б. Компьютерное моделирование каркаса юрты с применением композиционных материалов. Вестник ВСГУТУ. 2013. № 4 (43). С. 35 - 38.
4. Бохоева Л.А., Дамдинов Т.А. Определение критических нагрузок энергетическим методом с учетом деформаций сдвига // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. 2006. № 1. С. 3-7.
5. Бохоева Л.А., Пнев А.Г. Выбор и обоснование оптимальной технологии изготовления лопасти вертолета из композиционных материалов. Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2011. № 5. С. 37-42.
6. Бохоева Л.А., Рогов В.Е., Чермошенцева А.С. Устойчивость круглых дефектов типа отслоений в элементах конструкций с учетом поперечного сдвига. Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2014. № 4 (44). С. 19 - 22.
7. Бохоева Л.А., Филиппова К.А., Рогов В.Е. Экспериментальное исследование, численное моделирование элементов каркаса остекления фонаря кабины вертолета из композиционного материала. Фундаментальные проблемы современного материаловедения. Т. 9. № 4/2 (2012). С. 669 -674.
8. Моделирование композитных элементов конструкций и анализ их разрушения в САЕ-системах MSC. Patran-Nastran и ANSYS. Электрон. учеб. пособие. -Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П. Королева (нац. исслед. ун-т). Самара, 2012.
9. Патент RU № 123429, МПК Е04 В 1/343, Е04 Н 15/28 опубл. 27.12.2012, бюл. № 36. «КАРКАС ЮРТЫ - СБОРНО-РАЗБОРНОГО ЖИЛИЩА» Балданов А.Б., Бохоева Л.А.
10. Перевалов А.В., Бохоева Л.А., Зайцев В.А. Разработка автоматизированной линии для производства плитки из композиционных материалов. В сборнике: Проблемы механики современных машин: материалы V Междунар. науч.-практ. конф. 2012. С. 183-186.
Rogov Vitalii Evdokimovich
Buryat scientific center of the Siberian branch of the Russian academy of sciences, Russia, Ulan-Ude
E-mail: rogov54v@mail.ru
Baldanov Aldar Batomunkuevich
East Siberia state university of technology and management, Russia, Ulan-Ude
E-mail: baldanovaldar@rambler.ru
Kurokhtin Veniamin Yurievich
East Siberia state university of technology and management, Russia, Ulan-Ude
E-mail: kurokhtin91@gmail.com
Computer modeling of the carry rod elements in mobile buildings made of polymeric composite materials
Abstract. Mobile type temporary structure made of polymeric composite materials is designed for the work in remote areas. This work showcases the results of studies on polymeric composite materials used in bearing ribs of mobile buildings and constructions as well as main technical features of polymeric composite materials. We were also able to validate the usage of rod profiles made of polymeric composite materials in quickly erectable structures and buildings, mobile constructions. We carried out a short review of the research results and application record of polymeric composite materials in various industrial fields including construction engineering, along with development of a 3-dimensional model of a collapsible tent-type structure using computer-aided design. Numerical methods and software packages like MathCad, SolidWorks, Ansys Workbench, Ansys mechanical were used for the purposes of studying stress strain behavior of the polymeric composite material construction taking into account special features of the material and application of an actual load. We performed a series of numerical experiments, given material properties, reinforcement angles and number of layers. We also developed an algorithm of 3-D model transmission created in SolidWorks into Ansys Mechanical system, that allows us to estimate the behavior of the construction under the load during the design phase. The results showed that the polymeric composite material usage helps to reduce total weight of the construction by 2,5 times, has longevity, durability and resistance to corrosion advantage.
Keywords: cad/cam-systems; computer modeling; polymeric composite material; building structures; mobile structures; mobile buildings
