Введение к работе
Актуальность темы. D настоящее время все более широкое распространение н практике строительства получают разнообразные конструкции тонкостенных стальных труб волнистого, или гладкого профиля. Действующие СНиП 2.03.03-8-1 * '"Мосты п трубы. Нормы проектирования" используют для укачанных груб понятие "гибких", не давая количественных опенок. Для устранения пот недостатка используем параметр относительной жест косш системы "іру'ба - груїпчтьіії массив", определяемы/! как:
где г, ЕТ -.радиус и жесткость при изгибе трубы, ко - коэффициент постели грунта.
Наши теоретические и экспериментальные исследования позволяют считать гибкими трубы в грунте, если параметр _'2 > 100. Особенностью указанных сооружений является матая изгибная жесткость, и они могут претерпевать значительные деформации от действия внешних нагрузок. Однако деформации металлической трубы, находящейся в окружении массива насыпи, ограничены их взаимодействием — в этом суть высокой эффективности этих сооружений. Достаточно высокая гибкость сплошной по длине тонкостенной конструкции позволяет ей легко воспринимать возможные деформации грунтового осипання насыпи без нарушения целостности сооружения.
Проблемы, связанные с расчетом гибких цилиндрических оболочек. находящихся в деформируемых средах, сочетающих высокую прочность и малый вес, простоту и технологичность, продолжают привлекать внимание исследователей, т.к. требуют разработки новых методик построения математических моделей .расчета и их численной реализации.
В настоящее время разработаны множество аналитических подходов к рассматриваемой проблеме. » большинстве которых положена предпосылка о линейно упругом характере деформирования среды, окружающей оболочку. Каждый из этих подходов имеет свои исходные гипотезы и свои ограниченные рамки применения. Применяемая в практике проектирования модель упругой однородной среды слишком упрощенно отражает деформационное поведение среды, и этим обуславливается необходимость совершенствования методик расчета п направлении бо-тее полного учета реальных пюиЧтй среды с привлечением современных численных методов расчета и разработкой проблемно-ориентированных программных комплекс ов.
Потребность в развитии современной теоретической базы расчета напряженно-деформирован його состояния (НДС) оболочек в .деформируемых средах определяется и другими аспектами. Расчетные модели упругой среды ограничивают возможности проектирования стадией линейного деформирования для диапазона нагрузок, далеких от предел ь.-ных. В связи с этим остаются неиспользованными значительные прочностные п деформационные резервы среды, что в итоге приводит к неоправданному завышению толщины оболочки и перерасходу матерната.
Решение згой проблемы возможно в результате развития расчетных схем и методов для стадии нелинейного деформирования среды, окружающее оболочку. При этом существенно повышается требование к достоверности прогноза нелинейных деформация и предельной нагрузки, т.к. низкий уронень их оценки чреват катастрофическими последствиями, в т.ч. и экологическими.
Другим моментом, -определяющим потребность в развитии расчетных методик, является учет вероятностной изменчивости деформационных характеристик среды. Грунт, моделируемый в расчетах некоторой сплошной упругой средой, является в действительности слп;кпоі'і МНОІО-фазной системой, обладающей большими флуктуації ям и, и в значительной степени влияющей на НДС оболочки. Поэтому ограничение расчетами в детерминированной постановке нельзя считать корректным. Исследования в указанном направлении практически не выполнялись.
В связи с этим исследования, посвященные построению расчетных моделей и разработке методик расчета НДС оболочек в упругой среде в детерминированной и вероятностной постановках, представляются весьма актуальными.
Представленные выше проблемы определили направленность данной
работы. Их решение в итоге обеспечит более высокий уровень расчетного
анализа взаимодействия оболочки и упругой среды, что позволит решать
задачи рационального проектирования в соответствии с современными
требованиями. . '
Цели и задачи исследования. Основной целью диссертации является разработка методик моделирования на ЭВМ в детерминированной и вероятностной постановках взаимодействия гибкой замкнутой цилиндрической оболочки с окружающей ее упругой средой с учетом односторонних связей, а также изучение НДС оболочки малой нзгнбиой жесткости при совместном ее деформировании, с окружающей средой.
Дія реализации этой цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработка в детерминированной и вероятностной постановках аналитических и дискретных методик расчета НДС гибких цилпндриче-
скнх оболочек при совместном деформировании с окружающей их упругой средой и учете односторонности взаимодействия между средой и оболочкой.
-
Разработка алгоритмов и программ для ПЭВМ IBM PC AT, реализующих предложенные в диссертации методики.
-
Оценка достоверности и эффективности разработанных алгоритмов и программ расчета НДС гибких оболочек в упругой среде.
-
Разработка методики численного моделирования НДС гибкой оболочки в нелинейно деформируемой среде.
5. Экспериментальные исследования характера взаимодействия оболочки с деформируемой средой с целью обоснования и подтверждения основных положений расчетных схем.
б. Численный анализ НДС оболочки в упругой среде и сопоставление результатов расчетных и экспериментальных исследований.
Методы исследований. Для решения задач, поставленных в работе, применены следующие методы исследования:
экспериментальные исследования НДС оболочки в упругой среде на модели с петью обоснования и подтверждения принятых основных положений расчетной схемы;
аналитическое решение задач с применением фундаментальных принципов и методов строительной механики:
конечноэлементное численное моделирование в сочетании с метолом упругих решений при построении итерационного алгоритма.
Научная новизна. При решении поставленных задач и в процессе
проведення теоретических, численных и экспериментальных исследова
ний получены следующие новые результаты:
^ . . .
1. Разработан новый вычислительный алгоритм аналитического рас
чета цилиндрической оболочки в упругой среде с учетом односторонних
связей и переменной жесткости по кольцу оболочки.
2. Разработаны оригинальные методики статического расчета НДС
гибкой -замкнутой цилиндрической оболочки при совместном деформи
ровании с окружающей ее упругой средой на основе метода конечных
элементов (МКЭ) в детерминированной и вероятностной постановках,
адекватно отражающие поведение гибких оболочек и грунтовом массиве.
3. Получены алгоритмичные разрешающие уравнения для конечного
элемента (КЭ) стержня ич нелинейно упругою .материала.
-
Разработана легко реатизуемая на ПЭВМ методика численного моделирования НДС гибкой оболочки в нелинейно упругой среде.
-
Получены в модельных опытах новые данные, позволяющие слетать расчетный анализ взаимодействия гибкой оболочки супругой cj>e-
G '
лоіі.
С. Разработана в вероятное і поіі постановке оригинальная вычислительная схема определения с 'заданной обеспеченностью расчетных величин, опешпшоїшіх ожидаемые при эксплуатации максимальные усили? (( деформации оболочки в упругой среде.
Достоверность полученных результатов обеспечивается строго пью и обоснованностью используемого математического аппарата, тестированием используемого программного обеспечения, сопостаьленікл полученных результатов с результатами экспериментальных исследова ниіі. проведенных автором, оценкой погрешности ирлучасмых численны результатов.
Практическая ценность. Выполненные по разработанной ант с ром мечодике вычислительные программы для ЭВМ позволяют прг іпіюдіпь расчет на эксплуатационную прочность, «.основу которої положен деформационный критерии разрушения. Программы расчеі могут быть рекомендованы для использования проектными н научно исследовательскими организациями в процессе проектирования соотве етвумпшх новых конструкций или для опенки -жсп.туаташіоішоїі надел ноет уже сушестауншх. -
С иоцошью разработанных программ выполнены расчеты по онещ. несущей спосоопост и железобетонной водопроникної") трубы на 1S2 к аыодорош Мо<киу-Харм;о» в Ту.тьской области н даны рекомендацг по ее реконструкции. Соотжчетвуюншп акт о внедрении прилагается.
Апробация работы. Основные положения диссертации доклады'п лнсь и обсуждались па 47-52 научных конференциях- нрофессорско- пр подавате.тьского состава Во])оиежской государственно!"! архи гоктурш строительно!'! академии в 1092—1997 годах: па проблемной' научно-пра тическоіі конференции НИЦ '"Дормост" "Проблемы .механики и надо; пости -эксплуатируемых и реконструируемых мостов на автомобн.тып дорогах" (г.Воронеж. 1997): на III международной конференции "Эко.т шческое образование. Нелинейное мышление" (г.Воропеж. 1997).
Публикации. По результаїам исследовании" опубликованы в откр і oil печати семь научных сгаїсіі н ic-зшы доклада.
На защиту выносятся:
— способ определения коэффпипоша жесткости неоіраниченноіі \ ругоП среды с- круговым вырезом:
, — плоская расчечная схема п аліорпім ашілитпчогкого метода р; чеїн оболочки в упругой" среде с учетом односторонних сняче/і:
-- методика моделирования на ЭВ.\Г совместною деформирован
гибкой оболочки с упругой средой в плоской постановке методом конечных элементов;
вычислительная схема и соотношения КЭ стержня из нелинейно упругого материала:
методика численного моделирования НДС гибкой оболочки в нелинейно упругой среде:
данные экспериментальных исследований НДС оболочки п упругой среде при различных уровнях нагруження:
результаты расчета оболочки с вероятностным учетом изменчивости деформационных характеристик среды.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 161 странице машинописного текста, содержит 34 рисунка, 36 таблиц, список использованных источников из 127 наименований. В приложении приведены акты о пнедреиип результатов исследований в произподствол учебный процесс.
Авто)) выражает благодарность сотрудникам кафедры строительное механики ВГАС А Е.Н.Летрсне и А.А.Петранинц за советы и помощь при проведении численных исследований.