Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в автодорожном мостостроении широкое применение нашли металлические пролетные строения с ортотропными плитами в конструкциях проезжей части моста.
Создание современных вантово-балочных и висячих мостов, поражающих воображение огромными величинами пролетов, оригинальностью и прогрессивностью решений, было бы немыслимо без использования относительно легких стальных ортотропных конструкций проезжей части. Более того, мировая практика мостостроения выдвигает сегодня необходимость использования более легких конструкций. В современных мостах применяются не только простые открытые ортотропные плиты, но также ортотропные замкнутые конструкции, особенно в мостах с большими пролетами. В процессе эксплуатации эти конструкции подвергаются воздействию различных видов нагрузок (постоянные и временные нагрузки, ветровая нагрузка, сейсмические нагрузки). Материалы, технологии, требования по видам расчета и параметрам прочности определяются нормативными требованиями - Строительными Нормами и Правилами - (СНиП).
Расчет сложных пространственно нагруженных ортотропных конструкций при всех видах нагрузок в настоящее время невозможен без использования численных методов прочностного анализа, в частности, метода конечных элементов (МКЭ). Если несколько лет назад для расчета МКЭ писались конкретные программы для каждого типа конструкции и вида нагружения, то в настоящее время в мировой расчетной практике применяются мощные вычислительные комплексы (MSC., , CosmosM, Pro-Engineer, и др.). Использование мульти дисциплинарных программных комплексов МКЭ позволяет решать сложные задачи расчета пространственных конструкций не только при статической нагрузке и упругой работе материала в конструкции, но также с учетом нелинейности, как физической, так и геометрической, а также при вибрационных нагрузках (динамика, удар). Однако построение моделей МКЭ для сложных конструкций и различных видов нагружения не является однозначно решенной проблемой и требует обоснований и специальных усилий, особенно в случаях необходимости проведения многократных расчетов на этапах проектирования.
Расход металла на ортотропную плиту составляет 35-40 % от затрат металла на все пролетное строение моста, трудоемкость изготовления и строительства этих сооружений также высока, поэтому оптимальное автоматизированное проектирование ортотропных металлоконструкций необходимо при проектировании пролетных строений автодорожных мостов. Очевидно, что для оптимального автоматизированного проектирования и исследований необходимо создание современных программных инструментов, позволяющих пользователю просматривать множество вариантов и выбирать наилучшие, руководствуясь рядом ограничений и принимая во внимание различные критерии качества конструкции.
Существующие методы и программы оптимизации конструкций, определившие в недавнем прошлом значительный прорыв в развитии автоматизированного проектирования конструкций, в том числе и мостовых, используют подходы нелинейного программирования. Эти подходы, основаны на формировании целевого функционала и поиска его экстремума в области параметров, ограниченной явными ограничениями в виде неравенств или функциональными, и обычно называются методами однокритериальной оптимизации. Они обладают рядом недостатков, наиболее существенными из которых являются заранее сформулированная определенность при построении функционала, необходимость доказательства глобальной сходимости метода программирования (поиска), возможность упустить некоторые предпочтительные комбинации решений, трудность анализа влияния параметров на поведение и вид конструкции. Практически не существует программных средств позволяющих осуществлять процесс автоматизированного оптимального проектирования конструкций и работающих совместно с универсальными комплексами и моделями МКЭ, тем более для рассматриваемых мостовых конструкций.
Таким образом, разработка метода и программного комплекса многокритериального автоматизированного оптимального проектирования применительно к ортотропным мостовым металлоконструкциям с учетом их работы при различных нагрузках на основании расчетов МКЭ с использованием универсальных расчетных комплексов и разработка соответствующих типовых моделей МКЭ, является достаточно важной и актуальной задачей.
Проблема оптимизации конструкций мостовых сооружений, в частности, возникла при проектировании мостов в Египте. Первым большим мостом был мост Суэцкого канала (Рис.1), где были в проектном решении заложены значительные затраты металла. В конструкции проезжей части моста используются коробчатые ортотропные конструкции. В связи с повышением стоимости материалов и работ в последние годы существенно повысилась себестоимость дальнейшего строительства подобных мостов, которое необходимо для развития экономики страны. Представлялось важным разработать соответствующие методы и программные средства для оптимизации этих мостовых конструкций, провести на их базе анализ существующих проектных решений, чтобы использовать их в последующем проектировании новых мостовых сооружений.
Цель работы. Целью настоящей работы является создание метода оптимального многокритериального проектирования ортотропных стальных мостовых конструкций проезжей части автодорожных мостов на основе разработки и обоснования типовых расчетных моделей для универсальных комплексов МКЭ и использования метода многокритериальной оптимизации; создание алгоритмов и соответствующего программного комплекса автоматизированного оптимального многокритериального проектирования, включающего как известные программные продукты, так и собственные алгоритмы и программы. Разработанные методы и программы предполагается использовать для анализа проектных решений существующих конструкций моста через Суэцкий канал в Египте с целью дальнейшего их применения при проектировании новых сооружений.
Задачи работы.
-
Анализ существующих мостовых ортотропных стальных конструкций проезжей части автодорожных мостов и требований, предъявляемых конструкциям при их проектировании.
-
Выбор метода и программного комплекса МКЭ для расчета конструкций, выбор типов элементов и обоснование типовых моделей МКЭ с учетом реальных конструктивных решений и расчетных схем нагружения, сравнение результатов расчетов с известными решениями, имеющими экспериментальное обоснование.
-
Разработка метода и разработка алгоритмов и программ многовариантного расчета ортотропной конструкции для обеспечения ускоренной автоматизации расчетов и удобства пользователя при оптимальном проектировании на базе современных программных продуктов и языков программирования, выбор параметров вариантного анализа и создание системы представления параметров и результатов.
-
Разработка программы автоматизированного анализа соответствия результатов расчета требованиям СНиП 2.05.03-84* "Мосты и трубы" по условиям прочности, общей и местной устойчивости.
-
Разработка алгоритма программы для получение верхней и нижней границ изменения значений исследуемых силовых факторов от временных нагрузок посредством размещения этих нагрузок в экстремальных областях предварительно полученных поверхностей влияния, соответствующих этому фактору.
-
Разработка метода и программного комплекса многокритериальой оптимизации конструкций на основе программ многовариантных расчетов с использованием генератора ЛП – последовательностей для исследования пространства параметров (ИПП) и выбора рациональных значений параметров оптимизации, а также определение методики исследования и принятия решений при многокритериальной оптимизации ортотропных мостовых конструкций.
-
Сравнение результатов, полученных методом однокритериальной оптимизации с использованием нелинейного поиска и разработанным методом многокритериальной оптимизации.
-
Применение разработанных методов и программ для оценки проектных решений на примере оптимизации ортотропных стальных конструкций моста через Суэцкий канал в Египте.
Методика исследований. Для решения поставленных задач был использован комплексный подход, включающий в себя анализ существующих ортотропных конструкций автодорожных мостов, выбор известных программных средств, включенных в созданный программный комплекс (MSC., MS Excel), обоснование расчетных схем МКЭ путем тестирования на примере аналитических и известных решений, проведение численных исследований НДС с учетом приложения различных нагрузок с помощью известных и разработанных компьютерных программ, разработка применения методов многокритериального проектирования для оптимизации параметров ортотропной конструкции и использование разработанного программного комплекса для решения реальных задач.
Научная новизна работы. Научная новизна работы заключатся в следующем:
-
Разработан новый комплексный подход и соответствующие методы и программные средства для оптимального многокритериального проектирования ортотропных стальных конструкций автодорожных мостов на базе автоматизированного расчета и сравнения вариантов конструкций МКЭ с учетом различных нагрузок в соответствии с требованиями СНиП 2.05.03-84*.
-
Дан анализ и обоснование выбора расчетных схем МКЭ для ортотропной плиты при использовании программного комплекса MSC.Nastran.
-
Предложен способ автоматизации и ускорения расчетов вариантов геометрии путем использования script-языка с помощью VBA в Excel, необходимый для дальнейшей оптимизации конструкций.
-
Разработана новая программа на основе продуктов Femap – Nx Nastran (UGS) и Visual Basic For Application (MS Excel) - VBA, которая дает возможность проанализировать влияние геометрических параметров ортотропной конструкции, представлять в удобной для пользователя форме результаты, что имеет самостоятельное значение для проектного анализа, а также позволяет существенно ускорить процесс последующей оптимизации конструкции.
-
Разработан способ автоматизированного построения поверхностей влияния ортотропной плиты для получения верхней и нижней границы изменения значения исследуемого фактора от временных нагрузок и соответствующая программа.
-
Разработан метод исследования пространства параметров (ИПП) с помощью генератора ЛП – последовательностей и соответствующая программа для получения рациональных ортотропных мостовых конструкций, удовлетворяющих требованиям СНиП 2.05.03-84* "Мосты и трубы" по условиям прочности, общей и местной устойчивости и разработана процедура принятия оптимальных решений на Парето-множестве.
Практическая ценность работы. Разработан комплексный метод и соответствующее программное обеспечение (программный комплекс), позволяющие предоставлять проектировщику в удобном для анализа виде оптимальные (рациональные) решения, удовлетворяющие различным критериям качества, для определения параметров стальных ортотропных плит проезжей части автодорожных мостов с учетом ограничений на множество проектных параметров и удовлетворяющие нормативным требованиям. Простота подготовки исходных данных для расчета ортотропной плиты на базе программных продуктов Femap – Nx Nastran (UGS) и Visual Basic For Application (MS Excel) – VBA и представление результатов в привычной среде Excel дает возможность пользователю проанализировать влияние геометрических параметров конструкции и позволяет упростить и ускорить процедуры последующей оптимизации конструкции. Разработанный метод обладает значительной общностью и, как показано на примере оценочной оптимизации конструкции проезжей части моста через Суэцкий канал, может быть использован для расчета сложных составных ортотропных конструкций. Разработанный подход и система автоматизации расчетов оптимальных параметров конструкции могут быть развиты в дальнейшем для оптимизации ортотропных конструкций мостов с учетом НДС в локальных зонах концентрации напряжений с ограничениями по выносливости и технологическими ограничениями, а также для оптимизации других строительных конструкций.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Строительная механика» в курсах сопротивления материалов (анализ моделей пластины и балки), строительная механика, численные методы строительной механики (примеры применения МКЭ и комплекса MSC.Nastran к расчету конструкций). Методы и программы после их ее рассмотрения в Мансурском Университете (Mansoura University) (Египет) на кафедре «Строительная механика» рекомендованы для использования в учебной практике. Разработанные алгоритмы и программы обсуждены и переданы в MSC.Software Corporation для совместного составления методических указаний пользователям.
Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на конференциях: Форум MSC 2008 (одиннадцатой Российской конференции пользователей MSC), 67 научно-методической и научно-исследовательской конференции в МАДИ (ГТУ), Форум MSC 2009 (двенадцатой Российской конференции пользователей MSC), а также на кафедрах «строительной механики» и «мостов и транспортных тоннелей» МАДИ (ГТУ).
Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы представлены в 5 печатных работах, в том числе трех статьях в научных журналах по списку ВАК РФ.
Достоверность полученных результатов. Достоверность работы обеспечена за счет сравнения результатов расчетов МКЭ и известных аналитических и численных решений, имеющих экспериментальное обоснование, а также путем сравнения данных, полученных в результате оптимизации простейших конструкций в программном комплексе MSC.Patran-Nastran и результатов многокритериальной оптимизации реальной конструкции предложенным методом. Достоверность обеспечивается также за счет квалифицированного использования хорошо известных лицензионных комплексов (RE007196MAR-1).
Структура и Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов по работе, списка литературы и приложения. Полный объем диссертации составляет 150 страниц, включая 59 рисунков, 30 таблиц и список литературы из 133 наименований.
