Введение к работе
Актуальность проблемы. Трансформируемые стержневые конструкции в последнее время находят всё более широкое применение, причём существует два класса трансформируемых стержневых конструкций, различающихся по способу трансформации. К первому классу относятся стержневые системы, которые трансформируются за счёт наличия шарниров с последующей фиксацией путём введения дополнительных связей. К этому же классу можно отнести трансформируемые стержневые конструкции, фиксируемые натяжением растянутых элементов (Tensegrity). Ко второму классу трансформируемых конструкций относятся растяжимые сварные решётчатые конструкции (РСРК), которые трансформируются за счёт пластического изгиба прямых либо криволинейных стержней предварительно соединённых сваркой в виде компактного стержневого каркаса -решётчатого полотна, трансформируемого в плоскую решётку (рис. 1,а), либо соединённых точечной сваркой витков спирали, трансформируемой в решётчатую опору (рис. 1,6).
Рис. 1. Схема трансформации базовых элементов РСРК
Дополнительной трансформацией базовых РСРК элементов получают расширенный набор конструктивных элементов (рис. 2), включая элементы с поверхностью двойной кривизны (рис. 2,6).
Наиболее технологично изготовление РСРК из стержней диаметром
5-12 мм с размером ячейки 10-50 диаметров стержня, при этом,
варьируя схему расположения узлов решётки, можно получать
конструктивные элементы СХОДНОЙ! (ОДЫМЦЮНШИрйЩМ диапазоне
І з БНвЛНОТСКА
предельно допустимых нагрузок. Таким образом, РСРК позволяют создавать высокотехнологичные в производстве и монтаже несущие конструкции.
Методы расчёта трансформируемых конструкций первой группы достаточно хорошо разработаны отечественными и зарубежными учёными. Появление второй группы трансформируемых конструкций -РСРК с кардинально отличным механизмом трансформации потребовало создания специализированных методик расчёта, учитывающих особенности их формообразования. Главной особенностью растяжимых сварных решётчатых конструкций является их трансформация за счёт пластического изгиба стержней. Если в обычных стержневых системах и трансформируемых конструкциях первой группы геометрия стержней и начальное напряжённое состояние задаются разработчиком, то в РСРК геометрия стержней и конструкции формируется в процессе её трансформации, кроме того, при формообразовании конструкции происходит накопление остаточных напряжений, неравномерно распределённых в конструкции. Таким образом, трансформация и работа РСРК под нагрузкой должны рассматриваться в совокупности.
Для определения больших нелинейных перемещений при трансформации РСРК, в условиях значительной неоднородности распределения напряжений и деформаций в стержнях и в конструкции в целом, наиболее целесообразно разбить стержневую конструкцию на дискретные элементы конечного размера, для которых легко построить модель деформирования, а затем объединить модели элементов в модель
конструкции. Такой подход, в частности, применяется в методе конечных элементов (МКЭ). Известны различные модификации метода конечных элементов: МКЭ в форме метода сил, МКЭ в форме метода перемещений, смешанный МКЭ, метод дискретных конечных элементов и др.
Применение МКЭ для моделирования формообразующей трансформации и поведения РСРК под нагрузкой возможно, однако сопряжено с определёнными трудностями, поскольку задача имеет сильную физическую и геометрическую нелинейность, и потому требует мелкой сетки разбиения в области пластических деформации стержней, а большие нелинейные перемещения в конструкции приводят к неустойчивости работы вычислительного алгоритма.
В связи с вышеизложенным, актуальной задачей является разработка методик расчёта РСРК с учётом воздействия формообразующей трансформации. В качестве наиболее рационального подхода предлагается алгоритм, основанный на прямой состыковке моделей элементов в модель конструкции.
Работы по исследованию свойств РСРК и внедрению данной разработки в массовое производство ведутся при поддержке государственного «Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» в соответствии с федеральной программой «Старт» (номер государственной регистрации 4698).
Целью диссертационной работы является:
- создание пригодного для практического применения алгоритма
расчёта, учитывающего особенности формообразующей трансформации
РСРК;
- разработка моделей основных типов конструктивных элементов и
конструкций РСРК;
выполнение численных исследований напряженно-деформированного состояния (НДС) базовых типов РСРК после формообразующей трансформации и при работе под нагрузкой. Научная новизна:
предложен новый класс трансформируемых стержневых систем, защищенных патентами №2183542, №221833, в настоящее время осуществляется переход на национальную фазу патентования международной заявки РСТ (WO 03/037546 PCT/RU02/00298).
предложен алгоритм расчёта нового класса трансформируемых решётчатых конструкций;
применительно к моделированию РСРК предложен и реализован алгоритм прямой состыковки моделей элементов в модель конструкции;
построены и исследованы модели формообразующего трансформирования и поведения под нагрузкой двух базовых типов конструктивных элементов РСРК.
Практическая значимость диссертационной работы:
предложенный в данной работе общий алгоритм расчёта базовых элементов РСРК является необходимой частью внедрения этого нового класса трансформируемых стержневых конструкций в массовое применение;
предложенные в работе вычислительные алгоритмы моделирования двух основных типов РСРК элементов могут быть рекомендованы для практического определения их характеристик и в настоящее время применяются на ООО «Октон», осуществляющим внедрение РСРК в серийное производство;
рассмотренная в работе методика может быть расширена для расчёта более широкого класса конструкций;
результаты работы подготовлены к использованию в учебном процессе по курсу «Вычислительные методы в строительной механике».
Основные положения, выносимые на защиту:
общий алгоритм моделирования процесса трансформации и НДС работающих под нагрузкой РСРК;
модели трансформирования базовых элементов РСРК;
- модели деформирования базовых элементов РСРК под рабочей
нагрузкой с учётом влияния формообразующей трансформации;
результаты численных исследований формообразующей трансформации и напряженно-деформированного состояния (НДС) базовых типов РСРК.
Достоверность научных положений и результатов, полученных в работе, подтверждается сравнением результатов тестовых расчётов с известными решениями, а также сопоставлением поведения построенных моделей с результатами экспериментов, как описанных в литературе, так и поставленных автором с использованием РСРК. Сопоставление проводилось не только в ключевых точках, но и путём сравнения нелинейной трансформированной геометрии тестовых элементов и РСРК с результатами экспериментов.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на научных семинарах кафедры «Мосты и транспортные сооружения» СГТУ с 2000 по 2004 гг., на конференциях: «Молодые специалисты -железнодорожному транспорту»,Саратов, РГОТУПС, 2002 г, «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии», Тула, ТГУ, 2002 г., «Актуальные вопросы строительства», Первые (2002 г.) и Вторые (2003 г.) Соломатовские чтения, г.Саранск; в информационно-выставочном комплексе Московского государственного технического университета им. НЗ. Баумана на тематической выставке оборудования, техники и технологий «Инженерное искусство в развитии цивилизации: современные достижения», посвященной 150-летию со дня рождения выдающегося инженера и учёного В.Г.Шухова, в 2003 г. Полностью работа
докладывалась на семинаре на кафедре «Мосты и транспортные сооружения» СГТУ 17 июня 2004 г.
Основные результаты работы отражены в 15 публикациях, включая 2 патента РФ и международную РСТ заявку.
Структура и объём диссертации. Текст диссертации изложен на 156 страницах, состоит из введения, трёх глав, заключения, списка использованной литературы из 138 наименований и содержит 53 рисунка и 22 таблицы.