CC BY
28
УДК 681.5.015:658.786+514.18
КОМП'ЮТЕРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ РАМНИХ КОНСТРУКЦ1Й
О.В. Чершков, проф., д.т.н., Н.М. Подригало, доц., д.т.н., К.П. Прша, студ., М.Г. См1рнов, студ., Харк1вський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ушверситет
Анотац1я. Запропоноеано методику розроблення mpueuMipnoï модел1 рамног конструкцп, яку nepeeipeno на npumadi кроквяног ферми та ïï вузл1в. Показана можлив1сть проведения eipmya-лъних eKcnepuMenmie для еипробуеанъ створеног конструкцп на мщтстъ i сттюстъ засобами пакета комп'ютерного моделюеання Autodesk Inventor.
Ключов1 слова: комп 'ютерна модель, параметризация, рамна конструкция, крокеяна ферма, розрахунок на мщтстъ, Autodesk Inventor.
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАМНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
А.В. Черников, проф., д.т.н., Н.М. Подригало, доц., д.т.н., К.П. Гнрина, студ., Н.Г. Смирнов, студ., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Предложена методика разработки трехмерной модели рамной конструкции, проверенная на примере стропильной фермы и ее узлов. Показана возможность проведения виртуальных экспериментов для испытаний созданной конструкции на прочность и устойчивость средствами пакета компьютерного моделирования Autodesk Inventor.
Ключевые слова: компьютерная модель, параметризация, рамная конструкция, стропильная ферма, расчет на прочность, Autodesk Inventor.
COMPUTER SIMULATION OF FRAME STRUCTURES
O. Chernikov, Prof., D. Sc. (Eng.), N. Podrigalo, Assoc. Prof., D. Sc. (Eng.),
K. Girina, St., M. Smirnov, St., Kharkiv National Automobile and Highway University
Abstract. A technique for developing a three-dimensional model of a frame structure, tested using the example of a truss and its nodes, is proposed. The possibility of conducting virtual experiments for testing the created design for strength and stability using the Autodesk Inventor computer simulation package is shown.
Key words: computer model parameterization, frame construction, roof trusses, calculation of strength, Autodesk Inventor.
Вступ
У проектуванш рамних конструкцш i перевь рщ ухвалених pimeHb рацюнально викорис-товувати комп'ютерне моделювання. Одшею з основных переваг тривим1рного моделювання е створення повно1 цифрово! модел1 виробу, що проектуеться. KpiM легко! перевь рки р1зних кол1зш у модел1 (взаемне проник-
нення деталей, перетин за умови робочих pyxiB та ш.) з'являеться можливють викону-вати багатовар1антне проектування, розраху-нки модел1 на мщшсть, визначати вплив на-вантажень та автоколивань, враховувати аеродинамшу, безпеку майбугньо! конструк-u,iï тощо ще на стадп проектування, не втра-чаючи час та кошти на виготовлення макет1в.
Анал1з публжацш
Безумовно, для розрахунку на мщшсть та стшкють рамних конструкцш юнують спещ-ал1зоваш комп'ютерш пакети, наприклад, nporpaMHi комплексы «Лира-САПР», Advance Steel [1-3]. Пор1вняно з ними ушверса-льш комп'ютерш пакети (Autodesk Inventor, SolidWorks та iH.), мабуть, трохи ирограють, але мають вагому перевагу: немае потреби переходити з програми моделювання в про-граму розрахунку (з можливими втратами геометричних залежностей). Тому виникае необхщшсть у методиках швидкого проекту-вання рамних конструкцш та, за необх1дшс-тю, корегування створених моделей. Пакет Autodesk Inventor е одним з таких, що дозволяе спростити тривим1рне моделювання рамних конструкцш. Завдяки використанню б1блютеки стандартних компонента, середо-вища розрахуншв на мщшсть i стшюсть отримано!' модел^ можна швидко коригувати неприйнятш ршення [4, 5].
Мета i постановка завдання
Метою роботи е вдосконалення та розроблен-ня нових алгоритшв та методик створення параметричних моделей кроквяних ферм та гх вузл1в (як окремого випадку рамних конструкцш) у пакет! Inventor для буд1вельних виро-
б1в з метою впровадження гх у навчальний процес та промислове використання.
Моделювання кроквяноТ ферми засобами роботи з рамними конструкщями
Ферма - стрижнева система в буд1вельнш мехашщ, що залишаеться геометрично не-змшною [6]. Ферми широко використову-ються в сучасному буд1вництв1, здебшьшого для перекриття великих прольот1в з метою зменшення витрат матер1ал1в 1 полегшення конструкцш. 3 1х використанням будують мости; кроквяш системи промислових буди-нк1в, спортивних споруджень, опор для ЛЕП та ш. [7].
Розглянемо кроквяну ферму з прольотом 24 м, геометрична схема та основш елементи яко1 наведен! на рис. 1. Параметри куточмв, що входять у конструкцш ферми, наведен! в табл. 1.
Верхнш та нижнш пояси, стояки та розкоси формують решггку конструкции Точки гх з'еднання е вузлами ферми. Розташування металевих стрижшв повинно проводитися таким чином, щоб оа металевих профшв, до яких належать центри тяжшня поперечних перер1з1в цих профшв, збталися з лштми геометрично! схеми ферми.
Покю Розкю Стояк
Верхнш пояс Нижнш пояс
Рис. 1. Геометрична схема ферми Таблица 1 Параметри куточюв кроквяно! Ферми
Розмщення Номер про-ф1лю Розм1ри, мм Положения центра ваги поперечного nepepi3y, мм
Куточки р1внобок1, ГОСТ 8509-72
Верхнш пояс 16 160x16 Zq=45,5
Розкоси 10 100x10 Zq=28,3
Пщкоси 10 100x10 Zq=28,3
Стояки 8 80x7 Zq=22,3
Ценгральт стояки 10 100x10 Zq=28,3
Куточки нер1внобок1, ГОСТ 8510-72
Нижнш пояс 16/10 160x100x12 Xq=23,6 Yq=53,2
Елементи ферми з'еднують за допомогою металевого листа - фасонки або косинки, до яко1 1х приварюють або з'еднують bhcokomí-цними болтами. Елементи решптси ферми, що складаються з двох куточюв, або швеле-piB, необхщно з'еднувати спещальними планками (планками жорсткосп), яю проходять м1ж куточками та приварюються до них з двох 6okíb. Моделювання bcíx цих елемеипв варто проводит з урахуванням вимог, про-понованих у державних стандартах ДСТУ та ДБН.
У процес1 моделювання ферм р1зних конс-трукцш засобами пакета Autodesk Inventor потр1бно дотримуватися тако! послщовносп Д1Й:
- створити схему майбутньо! ферми в ecKÍ3Í файла деталц якщо ферма мае площини симет-pii, то краще моделювати И частково; цю час-тину надаш можна дзеркально вщбити;
- створити файл складання та вставити в нього компонент, що мютить схему ферми;
- створити тривим1рну модель ферми за допомогою майстра проектування елеменнв рамних конструкцш «Профшь», що знахо-диться на вкладщ «Проектування»;
- провести коректування елемеипв ферми за допомогою спещальних команд, що роз-ташоваш на панел1 «Проектування», та ш-шими способами;
- створити нестандартш елементи, що вхо-дять до складу ферми;
- вщтворити отриману модель ферми вщ-носно площин симетрп.
У площиш ХГ файла детал1 побудуемо схему половини ферми (рис. 2) з використанням залежностей 1 параметричних розм1р1в. Отриманий компонент ми вставляемо у файл складання за допомогою команди «Вставити компонент». У цьому випадку важливо, щоб початок координат 1 положения координат-них осей компонента, що вставляеться, 1 файла складання зб1галися.
fx: 2 I 1 200 ! ^^—7е Y \ j i fx:3 L 700
Рис. 2. EckÍ3 половини схеми ферми
Створення стандартного елемента здшсню-еться за допомогою команди «Вставити профшь». Для И використання потр1бно обрати: систему стандарта на нього (опщя «Стандарт», рис. 3); номер стандарту для елемента (опщя «С1мейство»), розм1р { матер1ал. Дал1 задати його розмщення в конструкций для чого можна використати два вар1анти:
- розмщення на вщр1зках есюзу, у цьому випадку потр1бно вказати лшю, уздовж яко! повинен розташовуватися елемент;
- розмщення м1ж точками, у цьому випадку потр1бно вказати на точки, м1ж якими бу-де розмщуватися елемент (цей вар1ант вико-ристовують, коли вздовж одше! лши треба розмютити кшька елемеипв).
Пщ час вставки першого профшю створю-еться окрема гшка в браузер! 1 вс1 шш1 еле-
менти будуть вщображатися в нш. На рис. 3 показане моделювання куточка нижнього пояса.
1нш1 команди панел1 «Профшь» дозволяють робити коректування 1 розрахування отрима-но1 конструкций Наприклад, команда «Обрь зання/подовження» (рис. 4) передбачае вказь вку граш шшого елемента, до яко! буде ви-конуватися ця операщя, а команда «Подов-ження/Скорочення» (рис. 5) дозволяе робити однойменш операци з елементом на задану вщстань. Ц1 команди можна використовувати на першому еташ обр1зання куточюв.
Якщо деяю куточки мають теля виконання операцш не перпендикулярш до !х осей зр1зи (рис. 6, а), це можна, у раз1 потреби, усунути повторним обр1занням командою «Роздши-
ти» з використанням опцп «Обр1зати тверде тшо». Для цього потр1бно увшти у файл де-тал1 куточка, який треба обр1зати, та створи-ти робочу площину, що проходить через вщ-повщне ребро та е перпендикулярною до ос1 куточка. Результат показаний на рис. 6, б. Пюля роботи над куточками ферми переходимо до проектування фасонок. У першу чергу створимо фасонки, повздовжш площи-ни яких зб1гаються з площиною ХГ ферми.
На рис. 7, а показаний есюз тако! фасонки одного з вузл1в з урахуванням вимог, пропо-нованих до геометрп вузла. На рис. 7, б показано параметри, обраш для видавлювання фасонки. Товщина фасонки (параметр «ТВФ») дор1внюе подвоенш величин! змь щення куточюв щодо площини ХГ ферми 1 обиралася за умови р1вносп товщиш полки куточка верхнього пояса ферми. 1нш1 фасонки проектуються аналопчно.
Рис. 3. Виб1р параметр1в куточка нижнього пояса ферми, розташованого м1ж точками
Рис. 4. Обр1зання стояюв 1 розкос1в ферми щодо куточка нижнього пояса
Рис. 5. Укорочування правого кшця куточка нижнього пояса на 550 мм
а б
Рис. 6. Обр1зання похилого куточка перпендикулярно до його осг а - створення есюзу площи-ни; б - операщя «обр1зання твердого тша
34. 1 1 1 /1 /
• /■
[ V ■ £ / /л
= 1— — и к Гх Ж 1 и± 1
/ ъ- V а /
□ у г
/ ■
к И
г
1 и 1 т . Ьк 1 1
4-
—1- г! 1 _к Г
1 с 1
г4 /
4 г
1 1
1 -1 1 -1
1
А
Т 4л 1( 51 с
X < 1
1 в
ШШЕШ.
I X ) ;|Гт;
Рис. 7. Моделювання фасонки в середовищ1 складання: а - побудова есюзу; б - видавлювання
Отримана модель частини ферми вщбиваеть-ся дзеркально до площини ХГ, теля чого отримаш частини ферми, включаючи поздо-вжш фасонки, вщбиваються дзеркально до площини
Таки чином, одержуемо тривим1рну модель кроквяно! ферми, що надал1 може бути дос-лщжена на мщнють 1 стшкють за допомогою
модул1в «Анал1з рам» та/або «Анал1з напру-жень методом скшчених елеменлв».
Розрахунок на мщшсть
Звичайно навантаження, що д1е на конструк-щю, прикладаеться у мюцях вузл1в, до яких кршляться елементи поперечних конструкцш (наприклад, начшна стеля або прогони пок-
pieni). Для кожного виду навантаження ба-жано визначати зусилля в стрижнях окремо. Види навантажень для кроквяних ферм: пос-тшне (власна маса конструкцп та Bciei' пщт-римувано! системи); тимчасове (навантаження вщ пщвюного устаткування, корисне навантаження); короткочасне (атмосферш: CHir i BÍTep). У майже bcíx сучасних програмах е вбудований модуль розрахунив на ochobí методу скшчених елемента. G такий шструмент i в nporpaMi Autodesk Inventor. Варто вщшти-ти, що для анал1зу рамних конструкцш цей модуль дуже легкий для використання.
Першим кроком шсля входу в середовище «Анал1з рам» виконуеться перев1рка та, у раз1 потреби, призначення матер1ал1в деталей. Пот1м задаються напрямок сили тяжшня та навантаження на елементи конструкций як точкове, так 1 розподшене (рис. 8).
Наступним кроком утворюеться с1тка. Взага-л1 атка розраховуеться автоматично, але е можлив1сть 11 подр1бнення для малих елемента конструкцп та найбшьш важливих мюць (рис. 9).
Рис. 8. Завдання навантажень: а - точкове; б - розподшене
Рис. 9. Скшченно-елементна с!тка ферми
Надал1 можна виконати розрахунки за зада-них умов. Програма дозволяе розрахувати напруги за Мозесом, максимальш nepeMi-щення фрагмента конструкцп та коефщент запасу мщноел. U,i результаты виводяться на екран за допомогою кольорових д1аграм у
збшьшеному масштаб! для в1зуально! оцшки модели
На рис. 10 наведеш результаты розрахунмв коефщ1ента запасу мщноел (а) та величин зсуву (б).
а б
Рис. 10. Приклади результата розрахунив: а - розподшення коефщ1ента запасу мщностц б -розподшення величин зсуву
Кр1м зазначених вар1анта анал1зу також мо-жна отримати епюри напруг (за умови вико-
ристання модуля «Анал1з рам») для довшьно обраного елемента ферми - балки (рис. 11).
Рис. 11. Епюри напруг
У раз1 необхщносп (велии прогини, недо-статнш або завеликий запас мщносп) можна повернутися в середовище моделювання ра-мних конструкцш та замшити форму та/або типорозм1р обраного профшю. Таким чином, ще на цифровш модел1 е засоби для оптим1за-цп конструкци за масою, а отже, 1 за вартатю.
женерно! та комп'ютерно! графки ХНАДУ. За щею методикою виконувалася студентсь-ка наукова робота, результати яко! були представлеш у Всеукрашському конкурс! студентських наукових робп" у галуз1 «Прик-ладна геометрш, шженерна графка та ерго-номка».
Висновки
Геометричне комп'ютерне моделювання до-зволяе створювати параметричш модел1 рам-них конструкцш з урахуванням особливостей 1х проектування та проводити низку в1ртуа-льних експеримента на !х цифрових моделях, не витрачаючи часу на виготовлення макета та промислових зразив.
Запропонована методика моделювання рам-них конструкцш дозволяе суттево скоротити термши 1х проектування. Ця методика впро-ваджена в навчальний процес на кафедр1 ш-
Лггература
1. Лукин А.Г. Анализ возможности применения системы «монтаж» программного комплекса ЛИРА-САПР для расчета усиления конструкций методом частичной разгрузки/ А.Г. Лукин // Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции: материалы III Международной (IX Всероссийской) 103 конференции НАСКР-2016. - Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2016. - С. 99-103.
2. Пузанов А.В. Инженерный анализ в Autodesk Simulation Multiphysics. Методическое руководство / А.В. Пузанов. -М.: ДМК Пресс, 2012. - 912 с.
3. Younis, W. Up and Running with Autodesk® Inventor® Simulation 2011 (A step-by-step guide to engineering design solutions) / Wasim Younis. - Oxford: Elsevier Inc., 2010. - 444 p.
4. Чершков О.В. Розробка параметричних моделей з урахуванням динам1чних та мщшсних характеристик / О.В. Чершков, A.I. Москаленко // Прикл. геометр1я та шж. графша. - 2011. - Вип. 87. -С.431-434.
5. Чершков О.В. Впровадження сучасних технологш комп'ютерного моделювання в навчальний ироцес ХНАДУ / О. В. Чершков // Вестник ХНАДУ: сб. науч. тр. - 2016. - Вып. 73. - С. 239-244.
6. Киркач Т.С. Вузли бущвельних констру-кцш: методичш вказ1вки до лаборатор-них роб1т та самостшного виконання ро-зрахунково-граф1чних завдань з шжене-рно! графши (спец. курс для студенпв 2 курсу денно! форми навчання бакалав-piß за напрямом 6.060101 «Бущвницт-во») / Киркач T.G., Радченко А.О. - X.: ХНАМГ, 2007. - 117 с.
7. Дарков A.B. Строительная механика / A.B. Дарков. - М.: Высшая школа, 1986. - 607 с.
Рецензент: О.Я. Hîkohob, професор, д.т.н., ХНАДУ.
