CC BY
125
УДК 624.01
ГАЛИЕВА А. Б. ГАЛИЕВ Д. Н.
Моделирование конструкций многоярусной однопролетной рамы в пк ANSYS с учетом регулирования усилий в узлах сопряжения ригелей с колоннами
Галиева Анна
Борисовна
старший преподаватель СтИ УрФУ
им. первого Президента России Б. Н. Ельцина, руководитель инженерно-конструкторской группы ООО «ТЕХКОН»
e-mail:
khannabor@gmail.com
Галиев Денис Нафисович
инженер-конструктор ФЧООО «Тебодин Истерн Юроп Б. В.»
e-mail: gdenisn@gmail.com
Статья посвящена изучению особенностей моделирования предварительного напряжения в элементах стальной однопролетной рамы с учетом ее конструктивных особенностей. Расчет конструкций произведен в ПК ANSYS. Рассмотрены варианты моделирования предварительного напряжения путем указания усилий преднапряжения, а также путем приложения температурной нагрузки. Результат расчета сравнивался с результатом расчета, полученным в ПК «Лира 9.6».
Ключевые слова: конструкции, предварительное напряжение, стальная рама, многоярусная однопролетная рама, моделирование, программный комплекс ANSYS, программный комплекс «Лира 9.6», регулирование усилий.
GALIEVA A. B, GALIEV D. N.
MODELING OF MULTISTORIED SINGLE-SPAN FRAME STRUCTURE WITH A FORCE CONTROL IN THE BEAM-TO- COLUMN NODES IN ANSYS SOFTWARE
The article is devoted to the simulation prestressing elements in the steel single-span frame taking into account its design features. Computing of constructions was made in ANSYS software. Simulation of prestressing was realized by alternative ways: as prestressing internal forces and as a thermal load. Computing result was compared with the computing result obtained in «Lira 9.6»software.
Keywords:prestressing, steel frame, ANSYS software, Lira 9.6 software, force control.
Металлические многоярусные од-нопролетные рамы используются в целом ряде производств нефте-газоперерабатывающей и химической промышленности. Регулирование напряженно-деформируемого состояния элементов рамных конструкций и создание таких напряженных состояний, которые ведут к оптимальному распределению материала в элементах рамы, являются одним из перспективных направлений снижения расхода материала и, как следствие, уменьшения стоимости конструкции. Эффективность предварительного напряжения заключается в создании в конструкции напряжений, обратных по знаку напряжениям, возникающим при действии эксплуатационной нагрузки [7, 8]. Таким обра-
зом, увеличивается протяженность упругой работы основного материала конструкции.
Примеры регулирования усилий в элементах однопролетных рам приведены в работах [1, 9]. Ряд технических решений по регулированию усилий в элементах многоэтажных металлических рам представлен в патентах на полезную модель [2-5]. Расчет конструкций по решениям [2-5] произведен в ПК «Лира». Предварительное напряжение задано путем приложения к стержневым элементам рамы единичных сил, без учета конструктивных особенностей рамы [6].
В данной статье рассматривается моделирование предварительного напряжения в элементах стальной рамы затяжками из высокопрочных материалов в ПК ANSYS. Целью работы
90
© Галиева А. Б., Галиев Д. Н., 2015
АКАДЕМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК УРАЛНИИПРОЕКТ РААСН 2|2015
являлось изучение реализации в расчетной модели технических особенностей рассматриваемой конструкции. Сложность создания уточненной расчетной схемы в ПК ANSYS заключается в отсутствии достаточного объема информации по моделированию предварительно напряженных стальных конструкций. Однако использование указанного программного комплекса позволяет получить более наглядную картину распределения напряжений как в элементах рамы (ригелях и колоннах), так и в технических устройствах для создания предварительного напряжения.
В качестве базы для исследования выбраны полезные модели устройств регулирования усилий в элементах многоэтажных металлических рам [2-5].
Всего рассмотрено четыре различные модели устройства предварительного напряжения конструкций рамы. Одно из технических решений, подвергнутых анализу, представлено на Иллюстрации 1.
Для создания расчетных схем и исследования работы рамного узла с учетом регулирования в нем усилий использован программный препроцессор ANSYS Workbench. С целью минимизации ресурсоемкости расчета рассматривалась половина рамы относительно середины пролета (Иллюстрация 2). Узел сопряжения ригеля с колонной в уровне первого этажа замоделиро-ван пластинчатыми элементами, остальные элементы рамы приняты стержневыми с соответствующими поперечными сечениями.
Для реализации расчета введены граничные условия, соответствующие принятой в работе [6] расчетной схеме: жесткая заделка по всем степеням свободы — для основания колонны; для узлов ригелей, расположенных на оси симметрии пролета рамы, — ползун (запрещен поворот в плоскости рамы).
Приложение нагрузок производилось поэтапно:
♦ собственный вес конструкций (задается автоматически
при назначении поперечных сечений и материалов);
♦ полезная нагрузка;
♦ усилие натяжения канатов.
Следует отметить, что расчетная схема создавалась с учетом максимального приближения к ее реальному техническому исполнению. Регулирование усилий в конструкции рамы, в соответствии с решениями [2-5],
Иллюстрация 1. Боковой вид конструкции рамного узла соединения ригеля с крайней колонной в многоэтажной раме [3]
реализуется следующим образом: узел сопряжения ригеля с колонной оборудован стальным валом, на котором по обе стороны от стенки колонны размещены втулки колес и канатные шкивы с ободами. В канавках ободов размещены высокопрочные напрягаемые элементы, закрепляемые к элементам ригеля и колонны анкерами стаканного типа. Высокопрочные элементы подвергаются натяжению в опорных деталях (ребрах жесткости), расположенных в колонне и в ригеле рамы.
Иллюстрация 2. Общий вид моделируемой конструкции. Выполнено А. Б. Гали-евой (2015 г) с использованием патента № 94997 И. Ю. Коковихина и др.
Иллюстрация 3. Общий вид рамного узла моделируемой конструкции. Выполнено А. Б. Галиевой (2015 г) с использованием патента № 94997 И. Ю. Коковихина и др.
Иллюстрация 4. Общий вид (3Д) рамы в ПК «Лира». Выполнено А. Б. Галиевой (2015 г) с использованием патента № 94997 И. Ю. Коковихина и др.
Наиболее распространенным решением при моделировании предварительного напряжения в элементах конструкций является приложение к этим элементам сосредоточенных сил, эквивалентных величине предварительного напряжения. В рамках данной работы за-моделированы не только высокопрочные напрягаемые элементы — канаты, но и колесо в рамном узле, распределяющее усилие преднапряжения между канатами (Иллюстрация 3).
Моделирование усилий в затяжке производилось двумя способами (непосредственно путем указания усилий в затяжке и путем приложения температурной нагрузки с учетом коэффициента температурного расширения материала элементов). Выявлены особенности задания нагрузки в ПК ANSYS: при приложении усилия преднапряжения «напрямую» усилие прикладывается мгновенно, независимо от продолжительности данного шага расчета, в то время как температурная нагрузка прикладывается равномерно в течение длительности шага расчета, что дает возможность анализа изменения напряженного состояния в течение всего периода приложения нагрузки, от минимального до максимального значения.
Для верификации полученных результатов расчета произведен расчет рамы в ПК «Лира» с учетом условий реального проектирования и конструктивных особенностей данного узла. Расчет в двух программных комплексах демонстрирует сходимость результатов и дает возможность говорить о правильности создания расчетных схем. Разница в перемещениях составила 1 мм (в ПК ANSYS перемещения на 1 мм превышают результат, полученный в ПК «Лира»), значения максимальных изгибающих моментов в ригеле практически идентичны, погрешность колеблется в пределах 6%.
Общий вид рамы, замоделированной в ПК «Лира», представлен на Иллюстрации 4.
Заключение
Результат расчета показал практически идентичные результаты по перемещениям и изгибающим моментам, возникающим в конструкции. В результате подбора сечений ригеля произведен подбор одних и тех же профилей.
Моделирование конструкций в ПК ANSYS позволяет не только получить значения усилий и деформаций в элементах конструкций, но и более детально изучить распределение напряжений и деформаций, возникающих в отдельных конструктивных элементах (колесе, ребрах жесткости и т. д.) для последующей оптимизации конструкции.
Список использованной литературы
1 Абовский Н. П., Енджиевский Л. В., Савченков В. И. и др. Регулирование. Синтез. Оптимизация : избранные задачи по строительной механике и теории упругости. М., 1993.
2 Алехин В. Н., Иванов Г. П., Коковихин И. Ю. Рамный узел соединения ригеля с крайней колонной в многоярусной раме. Патент Российской Федерации на полезную модель №94997. Опубликовано: 10.06.2010 г. Бюл. № 16.
3 Алехин В. Н., Иванов Г. П., Коковихин И. Ю. Рамный узел соединения ригеля с наружной колонной. Патент Российской Федерации на полезную модель №94995. Опубликовано: 10.06.2010 г. Бюл. № 16.
4 Алехин В. Н., Иванов Г. П., Коковихин И. Ю. Узел соединения ригеля с наружной колонной в многоярусной раме. Патент Российской Федерации на полезную модель №80470. Опубликовано: 10.02.2009 г. Бюл. № 4.
5 Алехин В. Н., Иванов Г. П., Коковихин И. Ю. Узел примыкания ригеля к крайней колонне в многоярусной раме. Патент Российской Федерации на полезную модель №78827. Опубликовано: 10.12.2008 г. Бюл. № 34.
6 Алехин В. Н., Коковихин И. Ю., Ушаков О. Ю. Анализ НДС фрагмента рамы при регулировании усилий в узлах // Академический вестник УралНИИпроектРААСН. Екатеринбург, 2011. № 1. С. 83-85.
7 Беленя Е. И. Металлические конструкции. М., 1986.
8 Горев В. В., Уваров Б. Ю., Филиппов В. В., Белый Г. И. Металлические конструкции : в 3 т. Т. 1 : Элементы стальных конструкций : учебник для строит. вузов. М., 1999.
9 Ольков Я. И., Холопов И. С. Оптимальное проектирование металлических предварительно напряженных ферм. М., 1985.
