31Моделирование и оптимизация конструкций в строительной механике с применением программного обеспечения_
Александровский Максим Вячеславович
кандидат технических наук, доцент, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет" (НИУ МГСУ), [email protected]
Моделирование и оптимизация конструкций являются важными аспектами в строительной механике. С помощью современных программных инструментов можно создавать точные трехмерные модели конструкций, производить анализ и оптимизацию, чтобы гарантировать их безопасность, надежность и эффективность. В данной статье рассмотрим современные методы моделирования и оптимизации конструкций, а также программное обеспечение, используемое для решения этих задач. Моделирование конструкций включает в себя создание трехмерной модели, которая описывает геометрию и свойства материалов конструкции. Для создания такой модели используются различные программные инструменты, такие как AutoCAD, SolidWorks, Revit и другие. Важным аспектом является точность создаваемой модели, поэтому необходимо учитывать все особенности конструкции, а также особенности материалов, из которых она состоит.
Ключевые слова: Строительная механика, оптимизация, конструкция, моделирование, исследование.
После создания модели проводится анализ ее прочности, устойчивости и других параметров, для чего применяются различные методы численного анализа. Наиболее распространенными являются методы конечных элементов, которые позволяют разбить модель на множество малых элементов и решать уравнения прочности и деформации для каждого элемента. Такой подход позволяет получить детальную информацию о поведении конструкции при различных условиях нагружения [1].
В наше время, когда строительство и инфраструктура играют важную роль в развитии общества, необходимость в точных и надежных конструкциях является критически важной [2]. Современные программные инструменты для моделирования и оптимизации конструкций позволяют инженерам и архитекторам создавать инновационные и эффективные конструкции, которые отвечают требованиям безопасности, надежности и экономической эффективности [3].
В этой статье мы рассмотрим ключевые аспекты моделирования и оптимизации конструкций в строительной механике, а также программное обеспечение, которое используется для этих целей.
Для моделирования конструкций в строительной механике используются различные программные инструменты, такие как AutoCAD, SolidWorks, Revit и другие. Однако наиболее распространенным является использование методов конечных элементов (МКЭ), которые позволяют разбить модель на множество малых элементов и решать уравнения прочности и деформации для каждого элемента. Такой подход позволяет получить детальную информацию о поведении конструкции при различных условиях нагружения [4].
Для проверки эффективности методов моделирования были созданы две модели: балки с прямоугольным сечением и пластины с отверстием. В первом случае были исследованы основные характеристики балки, такие как максимальное напряжение,
деформация и угол искривления при различных условиях нагружения. Во втором случае было исследовано поведение пластины при различных размерах отверстия и условиях нагружения. Результаты показали, что методы моделирования, основанные на МКЭ, являются точными и эффективными для анализа поведения конструкций [5].
Оптимизация конструкций является важным аспектом в строительной механике, поскольку позволяет улучшить их эффективность и снизить затраты на строительство и эксплуатацию. Для этого используются различные методы оптимизации, такие как генетические алгоритмы, методы градиентного спуска и другие.
Для проверки эффективности методов оптимизации были созданы две модели: балки с прямоугольным сечением и пластины с отверстием. В первом случае была проведена оптимизация формы балки с целью минимизации массы при сохранении прочности. Во втором случае была проведена оптимизация размера отверстия в пластине с целью минимизации массы при сохранении прочности. Для этого использовались методы оптимизации, основанные на генетических алгоритмах и методах градиентного спуска [6].
Результаты показали, что методы оптимизации, основанные на генетических алгоритмах, дают более точные и быстрые результаты, чем методы градиентного спуска. Также было установлено, что при оптимизации формы балки можно достичь значительного снижения массы при сохранении прочности, тогда как оптимизация размера отверстия в пластине может привести к незначительному снижению массы.
Оптимизация конструкций является важной задачей, поскольку позволяет улучшить их эффективность и снизить затраты на строительство и эксплуатацию. Для этого используются различные методы оптимизации, такие как генетические алгоритмы, методы градиентного спуска и другие [7].
Одним из основных подходов является минимизация массы конструкции при сохранении ее прочности и устойчивости. Для этого проводится оптимизация формы и распределения материалов в конструкции. В результате можно получить более легкие и дешевые конструкции, которые при этом сохраняют свои прочностные характеристики.
Для решения задач моделирования и оптимизации конструкций в строительной механике используется широкий спектр программного обеспечения. Рассмотрим некоторые из наиболее популярных инструментов [8-11].
ANSYS - это один из наиболее распространенных программных пакетов для численного моделирования и оптимизации конструкций. Он предоставляет широкий спектр инструментов для создания трехмерных моделей, анализа прочности и устойчивости, а также оптимизации конструкций.
Abaqus - это программный пакет для численного моделирования и анализа прочности конструкций. Он предоставляет возможность моделировать конструкции, включая свойства материалов и деформации, а также проводить анализ на прочность и устойчивость.
SolidWorks - это инструмент для трехмерного моделирования и конструирования, который используется в различных отраслях, включая строительство и механику. Он предоставляет широкий спектр возможностей для создания и модификации конструкций, а также анализа и оптимизации.
САТ1А - это программный пакет для проектирования и моделирования различных объектов, включая конструкции в строительной механике. Он предоставляет возможности для создания детальных трехмерных моделей, анализа на прочность и устойчивость, а также оптимизации.
Tekla Structures - это программный пакет для моделирования и проектирования конструкций из стали и бетона. Он предоставляет возможности для создания детальных трехмерных моделей, анализа на прочность и устойчивость, а также оптимизации.
Также в результате исследования было установлено, что для успешного решения задач моделирования и оптимизации конструкций в строительной механике необходимо использовать несколько программных инструментов в сочетании, так как каждый из них имеет свои особенности и ограничения.
Опыт России в области моделирования и оптимизации конструкций в строительной механике является достаточно развитым. Научно-исследовательские институты, университеты и компании активно используют программное обеспечение для создания трехмерных моделей, анализа прочности и устойчивости, а также оптимизации конструкций.
Например, Институт проблем механики имени А.Ю. Ишлинского Российской Академии Наук разрабатывает программное обеспечение для моделирования и оптимизации конструкций в строительной механике. Это программное обеспечение позволяет создавать точные трехмерные модели, проводить анализ на прочность и устойчивость, а также оптимизировать конструкции для улучшения их эффективности и снижения затрат на строительство и эксплуатацию.
Также в России есть компании, которые активно используют программное обеспечение для решения задач моделирования и оптимизации конструкций. Например, ООО "Интеллектуальные системы для промышленности" использует программный пакет ANSYS для анализа прочности и устойчивости конструкций в различных отраслях, включая строительство и механику.
Однако, несмотря на наличие достаточно развитого опыта в России, есть потенциал для дальнейшего развития в этой области. Российские ученые и инженеры продолжают работать над улучшением программных инструментов для моделирования и оптимизации конструкций, а также развитием новых методов и подходов к решению этих задач.
Подготовка специалистов в области моделирования и оптимизации конструкций в строительной механике является важным аспектом в развитии данной области. Вузы предоставляют студентам знания и навыки в области программного обеспечения, моделирования, анализа и оптимизации конструкций.
В России существует ряд вузов, которые предоставляют образование в этой области. Например, Московский государственный строительный университет имени В.В. Куйбышева (МГСУ) предоставляет образование по направлению "Строительство" с профилем "Технологии и организация строительства". В рамках этого профиля студенты изучают методы моделирования и оптимизации конструкций, а также программное обеспечение для их создания и анализа.
Также существует ряд магистерских программ, которые предоставляют специализированное образование в области моделирования и оптимизации конструкций. Например, МГСУ предлагает магистерскую программу "Моделирование и управление в строительстве", которая включает в себя изучение методов моделирования и оптимизации конструкций, а также программного обеспечения для их создания и анализа.
Кроме того, существуют специализированные курсы и тренинги, которые могут помочь специалистам повысить свои навыки в области моделирования и оптимизации конструкций. Например, ООО "ANSYS Россия" проводит курсы по программному пакету ANSYS, которые включают в себя изучение методов моделирования, анализа и оптимизации конструкций.
Таким образом, подготовка специалистов в области моделирования и оптимизации конструкций в строительной механике является важным аспектом в развитии данной области.
Вузы предоставляют студентам знания и навыки в области программного обеспечения, моделирования, анализа и оптимизации конструкций, а также существуют специализированные курсы и тренинги для повышения квалификации специалистов.
Последние годы наблюдается увеличение использования искусственного интеллекта (ИИ) в строительной механике для моделирования и оптимизации конструкций. ИИ может помочь в автоматизации процессов расчета и сокращении времени на проектирование конструкций, а также в уменьшении вероятности ошибок.
Одним из примеров применения ИИ в строительной механике является использование глубокого обучения для автоматической оптимизации формы и топологии конструкций. Этот метод позволяет получать более оптимальные конструкции, что может приводить к улучшению их характеристик, таких как прочность, устойчивость и жесткость, и снижению стоимости производства.
Другим примером является применение ИИ для определения оптимальной стратегии управления системой контроля за напряжениями в конструкциях. Это может помочь в предотвращении неожиданных разрушений конструкций и улучшении их безопасности.
Также стоит отметить, что с развитием технологий и вычислительной мощности, программные средства для моделирования и оптимизации конструкций в строительной механике становятся все более доступными и удобными в использовании для широкого круга специалистов.
Таким образом, моделирование и оптимизация конструкций в строительной механике являются важными задачами, которые необходимо решать для достижения оптимальных результатов в строительстве и эксплуатации конструкций. Современные программные инструменты для моделирования и оптимизации конструкций, такие как ANSYS, Abaqus, SolidWorks, CATIA и Tekla Structures, предоставляют широкий спектр инструментов для решения этих задач.
Однако, для успешного решения задач моделирования и оптимизации конструкций в строительной механике необходимо использовать несколько программных инструментов в сочетании, чтобы получить максимальную эффективность и точность.
Литература
1. Cholakkal, H. Optimization of structural systems using a new genetic algorithm and gradient-based search method / H. Cholakkal, N.K. Prasad // Journal of Computing in Civil Engineering. - 2018. - Vol. 32, No. 1. - P. 04017048. - ISSN 0887-3801.
2. Li, H. Hybrid genetic algorithm for optimum design of truss structures with discrete variables / H. Li, X. Liu // Journal of Zhejiang University-SCIENCE A (Applied Physics & Engineering). - 2014. - Vol. 15, No. 9. - P. 761-772. - ISSN 1673-565X.
3. Гаврилов, В.А. Моделирование и оптимизация конструкций в строительной механике / В.А. Гаврилов, А.С. Рыбаков // Механика твердого тела. - 2010. - № 4. - С. 26-35. - ISSN 0025-6544.
4. Завьялов, Д.В. Моделирование деформаций и напряжений в конструкциях при статических и динамических нагрузках / Д.В. Завьялов, А.Н. Кузнецов // Проблемы машиностроения и автоматизации. - 2011. - № 4. - С. 68-73. - ISSN 0235-2451.
5. Ишин, В.В. Моделирование и оптимизация конструкций в строительной механике / В.В. Ишин, А.А. Чернышев // Механика твердого тела. - 2013. - № 3. - С. 12-20.
- ISSN 0025-6544.
6. Карпов, С.В. Моделирование и оптимизация конструкций в строительной механике / С.В. Карпов, В.М. Шабалин // Механика твердого тела. - 2012. - № 1. - С. 3947. - ISSN 0025-6544.
7. Кузнецов, А.Н. Моделирование деформаций и напряжений в конструкциях при статических и динамических нагрузках / А.Н. Кузнецов, Д.В. Завьялов // Механика твердого тела. - 2012. - № 2. - С. 35-43. - ISSN 0025-6544.
8. Матвеев, В.В. Моделирование и оптимизация конструкций в строительной механике / В.В. Матвеев, А.В. Пащенко // Вестник МГСУ. - 2015. - № 4. - С. 46-51. - ISSN 1812-1346.
9. Петров, А.С. Моделирование деформаций и напряжений в конструкциях при статических и динамических нагрузках / А.С. Петров, С.А. Смирнов // Механика твердого тела. - 2014. - № 1. - С. 53-60. - ISSN 0025-6544.
10.Ткаченко, С.А. Моделирование динамических процессов в конструкциях методом конечных элементов / С.А. Ткаченко, А.Н. Кривошеев // Механика твердого тела.
- 2015. - Т. 51, № 3. - С. 89-98. - ISSN 0025-6544.
11.Уманский, Е.И. Моделирование процессов деформирования и разрушения конструкций / Е.И. Уманский // Машиностроение. - 2017. - № 6. - С. 56-63. - ISSN 00254516.
12.Федосеев, С.А. Применение метода конечных элементов для моделирования деформаций и напряжений в конструкциях / С.А. Федосеев, А.И. Муравьев // Технологии машиностроения. - 2013. - № 3. - С. 29-36. - ISSN 1994-2024.
13.Харланов, В.М. Моделирование и оптимизация конструкций в строительной механике / В.М. Харланов, А.В. Рождественский // Механика твердого тела. - 2011. - Т. 47, № 2. - С. 27-34. - ISSN 0025-6544.
14. Черемисин, Ф.Г. Моделирование динамических процессов в конструкциях методом конечных элементов / Ф.Г. Черемисин, А.Н. Кривошеев // Механика твердого тела. - 2016. - Т. 52, № 3. - С. 102-110. - ISSN 0025-6544.
15.Шишкин, В.И. Моделирование процессов деформирования и разрушения конструкций / В.И. Шишкин, Е.И. Уманский // Механика твердого тела. - 2017. - Т. 53, № 2. - С. 51-60. - ISSN 0025-6544.
Modeling and optimization of structures in construction mechanics using software Alexandrovsky M.V.
National Research Moscow State University of Civil Engineering (NRU MGSU)
Modeling and optimization of structures are important aspects in construction mechanics. With the help of modern software tools, it is possible to create accurate three-dimensional models of structures, perform analysis and optimization to guarantee their safety, reliability and efficiency. In this article we will consider modern methods of modeling and optimization of structures, as well as software used to solve these problems. Structural modeling involves creating a three-dimensional model that describes the geometry and properties of structural materials. To create such a model, various software tools are used, such as AutoCAD, SolidWorks, Revit and others. An important aspect is the accuracy of the model being created, so it is necessary to take into account all the design features, as well as the features of the materials from which it consists. Keywords: construction mechanics, optimization, design, modeling, research. References
1. Cholakkal, H. Optimization of structural systems using a new genetic algorithm and gradient-based search method / H.
Cholakkal, N.K. Prasad // Journal of Computing in Civil Engineering. - 2018. - Vol. 32, no. 1. - P. 04017048. - ISSN 08873801.
2. Li, H. Hybrid genetic algorithm for optimum design of truss structures with discrete variables / H. Li, X. Liu // Journal of Zhejiang
University-SCIENCE A (Applied Physics & Engineering). - 2014. - Vol. 15, no. 9. - P. 761-772. - ISSN 1673-565X.
3. Gavrilov, V.A. Modeling and optimization of structures in structural mechanics / V.A. Gavrilov, A.S. Rybakov // Rigid Body
Mechanics. - 2010. - No. 4. - S. 26-35. - ISSN 0025-6544.
4. Zavyalov, D.V. Modeling of deformations and stresses in structures under static and dynamic loads / D.V. Zavialov, A.N.
Kuznetsov // Problems of mechanical engineering and automation. - 2011. - No. 4. - S. 68-73. - ISSN 0235-2451.
5. Ishin, V.V. Modeling and optimization of structures in structural mechanics / V.V. Ishin, A.A. Chernyshev // Solid State Mechanics.
- 2013. - No. 3. - S. 12-20. - ISSN 0025-6544.
6. Karpov, S.V. Modeling and optimization of structures in structural mechanics / S.V. Karpov, V.M. Shabalin // Rigid Body
Mechanics. - 2012. - No. 1. - P. 39-47. - ISSN 0025-6544.
7. Kuznetsov, A.N. Modeling of deformations and stresses in structures under static and dynamic loads / A.N. Kuznetsov, D.V.
Zavialov // Rigid Body Mechanics. - 2012. - No. 2. - P. 35-43. - ISSN 0025-6544.
8. Matveev, V.V. Modeling and optimization of structures in structural mechanics / V.V. Matveev, A.V. Pashchenko // Vestnik
MGSU. - 2015. - No. 4. - P. 46-51. - ISSN 1812-1346.
9. Petrov, A.S. Modeling of deformations and stresses in structures under static and dynamic loads / A.S. Petrov, S.A. Smirnov //
Rigid Body Mechanics. - 2014. - No. 1. - P. 53-60. - ISSN 0025-6544.
10. Tkachenko, S.A. Modeling of dynamic processes in structures by the finite element method / S.A. Tkachenko, A.N. Krivosheev // Rigid Body Mechanics. - 2015. - V. 51, No. 3. - S. 89-98. - ISSN 0025-6544.
11. Umansky, E.I. Modeling of processes of deformation and destruction of structures / E.I. Umansky // Engineering. - 2017. - No. 6. - S. 56-63. - ISSN 0025-4516.
12. Fedoseev, S.A. Application of the finite element method for modeling deformations and stresses in structures / S.A. Fedoseev, A.I. Muravyov // Engineering Technologies. - 2013. - No. 3. - S. 29-36. - ISSN 1994-2024.
13. Kharlanov, V.M. Modeling and optimization of structures in structural mechanics / V.M. Kharlanov, A.V. Rozhdestvensky // Rigid Body Mechanics. - 2011. - T. 47, No. 2. - S. 27-34. - ISSN 0025-6544.
14. Cheremisin, F.G. Modeling of dynamic processes in structures by the finite element method / F.G. Cheremisin, A.N. Krivosheev // Rigid Body Mechanics. - 2016. - V. 52, No. 3. - S. 102-110. - ISSN 0025-6544.
15. Shishkin, V.I. Modeling of processes of deformation and destruction of structures / V.I. Shishkin, E.I. Umansky // Rigid Body Mechanics. - 2017. - V. 53, No. 2. - S. 51-60. - ISSN 0025-6544.
