ГОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной...

Виртуальные лабораторные работы для студентов бакалавриата и магистрантов

по направлению «Строительство» с применением SCAD Office

ГОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет

Сафиуллин М. Н.Порываев И. А.

проф. Семенов А. А.

2013

Методологический подход к лабораторным работам в вузе

Обязательным атрибутом любого лабораторного эксперимента является единство двух категорий знаний:эмпирических и теоретических.К эмпирическим методам исследования относят наблюдение, сравнение, измерение и эксперимент.К теоретическим – аналогию, идеализацию, формализацию.С развитием расчетных и проектирующих программных комплексов появилась возможность создания расчетных моделей конструкций практически любой степени сложности с последующим анализом их напряженно-деформированного состояния (НДС). Очень интересным и перспективным стало сравнение результатов расчетов исследуемого объекта, полученных:• классическими инженерными методами• непосредственно экспериментом• при помощи расчетных комплексов

Блок-схема проведения комплекснойлабораторной работы (ЛР)

Для получения более полной информации об исследуемом объекте, целесообразным представляется рассмотрение трех его

моделей:1. Теоретическая (упрощенная) модель – идеализированная модель объекта, основанная на классическом инженерном подходе (на основных теоретических положениях теории сопротивления материалов и строительной механики).2. Механическая (физическая) модель – лабораторный образец, имитирующий натурную конструкцию (возможно, в определенном масштабе).3. Математическая (КЭ) модель – конечно-элементная модель (созданная на принципах теории упругости), определение напряженно-деформированного состояния которой реализуется в современных программных комплексах.

Тематика лабораторных работ по ФГОСМеталлические конструкции, включая сварку (20 часов)

• Ручная дуговая сварка. Сущность процесса. Оборудование и технология сварки. Сварочные материалы• Механизированная и автоматизированная сварка плавящимися электродами. Оборудование и технология сварки.• Испытание сварных соединений с угловыми швами• Контактные виды сварки. Стыковая сварка оплавлением и сопротивлением. • Газовая сварка и резка. Сущность процессов. Оборудование постов. Технология газовой сварки и резки. Сварочные материалы.• Испытание срезных болтовых соединений (фрикционных и на болтах нормальной точности)• Испытания фланцевых соединений на высокопрочных болтах.• Устойчивость стальных колонн сплошного сечения• Устойчивость стенок и поясных листов металлических балок

Тематика лабораторных работ по ФГОС

Железобетонные и армокаменные конструкции (8 часов)

• Испытание железобетонной балки на изгиб по нормальному сечению• Испытание железобетонной балки на действие поперечной силы по наклонному сечению• Испытание колонны на внецентренное сжатие с большим эксцентриситетом• Испытание железобетонной предварительно напряженной балки на изгиб

Конструкции из дерева и пластмасс (8 часов)

• Испытание образца соединения на лобовой врубке• Испытание образца симметричного двухсрезного соединения на вклееных нагелях.• Испытание составной балки на пластинчатых нагелях.• Испытание дощатоклееной балки на изгиб.

Виртуальные лабораторные работы по дисциплине

«Металлические конструкции,

включая сварку»

1. Анализ устойчивости центрально-сжатой стойки сквозного сечения

Проблемы постановки физического эксперимента по анализу устойчивости

• Необходимость использования дорогостоящих экспериментальных установок и чувствительных контрольно-измерительных приборов.• Сложность постановки эксперимента.• Использование крупноразмерных образцов.• Невозможность многократного использования лабораторных образцов (один образец – один эксперимент)

Задачи виртуальной ЛР

• Анализ устойчивости центрально-сжатой стойки с применением ПК SCAD

• Определение критической силы (по Эйлеру) и формы потери устойчивости

• Определение критической силы по методике норм проектирования

• Сравнительный анализ результатов

Схема выполнения работыТеоретические сведения

ПК SCAD«Ручной»

расчет

Создание расчетной модели

и анализ устойчивости по

классической теории

Анализ устойчивости по

классической теории

КОНСТРУКТОР СЕЧЕНИЙ

Анализ устойчивости по методике норм проектирования

Анализ устойчивости по методике норм проектирования

Программа КРИСТАЛЛ

Теории устойчивос

ти

Нормы проектиров

ания

Изменение одного из параметров системы и

установление зависимостей

Анализ результатов, формулирование выводов

Определение геометрических характеристик (КОНСТРУКТОР СЕЧЕНИЙ)

Создание расчетной модели

Определение формы потери устойчивости и критической силы

Автоматизированный расчет стойки по нормам проектирования с помощью программы КРИСТАЛЛ

Определение критической силы по формуле Эйлера

Определение критической силы по нормам проектирования

Построение зависимостей между гибкостью и критической силой при использовании различных

теорий

Использование оболочечных КЭ

Анализ устойчивости

Создание расчетной модели

Возможное развитие

Анализ устойчивости балок (местная и общая) и зданий в целом

2. Работа и расчет фланговых и лобовых угловых сварных швов

Ознакомление с нормативной литературой

Теоретические сведения

Образец выполнения

Образец выполнения

Образец выполнения

Образец выполнения

Образец выполнения

Образец выполненияИзополя главных напряжений, кН/м2 c отображением направлений главных площадок

Теоретическое распределение напряжений в сварном фланговом соединении

Образец выполненияНормальные напряжения в средней пластине, сечение A-B, кН/м2

Образец выполненияНормальные напряжения в накладке, сечение С-D, кН/м2

Образец выполненияНормальные напряжения в средней пластине, сечение C-D, кН/м2

Образец выполнения

Плоскость разрушения флангового шваАнализируемый фрагмент схемы

Коэффициент концентрациии определение среднего напряжения

Образец выполненияСреднее напряжение в шве по формуле СП (СНиП) «Стальные конструкции»

Теоретическийкоэффициент концентрации

Погрешность определения напряжений по СП и SCAD

Возможное развитиеПредставляет интерес сравнение теоретической работы сварного шва (полученное в результате решения учебной задачи) и моделирование этого шва в ВК SCAD Office

3. Монтажный стык балки на высокопрочных болтах

Расчетная схема

Модель

Расчетная схема и модель

Моделирование болтовых соединений

объединенияперемещений

Результаты расчета1.

2. 3.

1. деформации2. изополянапряжений NX3. эпюранормальныхнапряжений

1

2 3

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УСИЛИЙ В БОЛТОВЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УСИЛИЙ В БОЛТОВЫХ СОЕДИНЕНИЯХСОЕДИНЕНИЯХ

Вертикальная накладка

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УСИЛИЙ В БОЛТОВЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УСИЛИЙ В БОЛТОВЫХ СОЕДИНЕНИЯХСОЕДИНЕНИЯХ

Горизонтальная накладка

Ряд 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Линия 1

151,01 86,66 73,65 82,93 142,64 139,77 80,73 72,02 85,93 152,52

Линия 2

98,62 64,55 108,84 110,2 65,97 101,78

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВСРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ

Потеря местной устойчивости тонкостенных элементов

Расчетная схема балки

Анализ местной устойчивости в программе КРИСТАЛЛ

4. Анализ местной устойчивости стенок и поясных листов металлических балок

Первая форма потери устойчивости. Коэффициент запаса устойчивости 0,805

Пятая форма потери устойчивости. Коэффициент запаса устойчивости 0,878

Расчетная модель балки

Сравнение результатов

Конструкция модели; 1 – анкерный болт2 –опорная плита;3 – анкерная плитка; 4 – траверса; 5 – вертикальное ребро;6 – ветвь колонны

Детали выполнения анкерного крепления базы колонны

5. Анализ напряженно-деформированного состояния баз

металлических колонн

Схема приложения нагрузки к модели

Работа односторонних связей;а — при нагружении фундамента; б — при отрыве ветви.

Изополя моментов в опорной плите; сечения 1, 2

Эпюры по сечениям

Цветовая карта реакций в опорной плите

Напряженное состояние траверсы NX, МПа

Сечение средней части траверсы, МПа

Моменты Mx в анкерной плитке, Н мм/мм

Виртуальные лабораторные работы по дисциплине «Железобетонные

конструкции»

• Испытание железобетонной балки с одиночной арматурой на изгиб с разрушением по нормальному сечению

• Испытание железобетонной балки с двойной арматурой на изгиб с разрушением по нормальному сечению

• Испытание предварительно напряженной железобетонной балки с двойной арматурой на изгиб с разрушением ее по нормальному сечению

Упрощение расчетной схемы образца:а) - лабораторный стенд; б) - основа расчетной модели

а)

б)

Основные параметры поперечного сечения

Исходный набор конечных элементов.

Результат копирования исходного набора КЭ для получения вертикального блокаУстановка арматурного стержня

результаты расчета на шагах 1, 10, 20, 25, 32

Общий вид деформированной

схемы.

Некоторые результаты расчета на шагах 10 (окончание создания загружения предварительного

напряжения), и шагов 18, 21, 25, 27, 35, 42,47.

Деформированные схемы на стадии преднапряжения (10 шаг) и нагрузки (47 шаг)

Виртуальные лабораторные работы по дисциплине «Деревянные

конструкции»

A. Инженерные методы расчета

B. Программы сателлиты ПК SCAD

C. ПК SCAD

D. Результаты натурных испытаний лабораторного образца

В работе используются

1. Исследование напряженно-деформированного состояния

клеедеревянной изгибаемой балки

Расчетная схема исследуемой балки

Определение напряжений и деформаций по нормам проектирования

А. Инженерные методы расчета

Использование программы ДЕКОР

В. Программы сателлиты ПК SCAD

Анализ различных КЭ моделей балки

1.Стержневая модель

2.Изотропная пластинчатая модель

3.Ортотропная пластинчатая модель

4.Модель из объемных элементов

С. ПК SCAD

Стержневая модель

Конечно-элементная модель балки

Эпюра изгибающих моментов

Деформированная ось

Модель изотропной пластины Е =10000 МПа, ν90,0 = 0.45

Конечно-элементная модель балки

Деформированная схема

Распределение нормальных напряжений

Модель ортотропной пластины Е =10000 МПа,ν90,0 = 0.45

Е90 =400 МПа,

ν0,90 = 0.018

G90 = 500 МПа

Модель из объемных элементов

Конечно-элементная модель балки

Деформированная схема

Распределение нормальных напряжений

Результаты численных исследований

№ Модель

Напряж

ение,

σmax, МПа

Кисп I

(Pi, кН)

Прогиб,

см

(Pi, кН)

Кисп II

(Pi, кН)

1 Теоретическая 1,60Pi 0,123Pi 0,122Pi -

2Стержневая SCAD (48

элементов)- - 0,122Pi -

3 Плоская изотропная SCAD 1,64Pi 0,126Pi 0,124Pi -

4Объемная изотропная

SCAD 1,71Pi 0,131Pi 0,124Pi -

5 По СП с учетом сдвига 1,60Pi 0,123Pi 0,137Pi 0,117Pi

6 ДЕКОР (SCAD) - 0.123Pi 0,138Pi 0,118Pi

7Плоская ортотропная

SCAD1,62Pi 0,125Pi

0,151Pi

0,137Pi*

0,129Pi

0,117Pi

*

D. Испытание лабораторного образца

Схема испытательного стенда

График изменения прогибов

Определение модуля упругости

Сравнение результатов

1. Опорный узел деревянной фермы

на лобовой врубке

КЭ модельисходные данные

1. объединение перемещений2. реакции в площадке смятия3. напряжения в площадке смятия

1. 2.

3.

Распределение напряжений по плоскости скалывания

1. сечение плоскости скалывания

2. экспериментальные данные3. опытные данные

численного эксперимента

1.

2.

3.

Распределение напряжений по ослабленному сечению

Изотропная модельОртотропная модель

деформации

напряжения

Использование программы ДЕКОР

Расчет по нормам проектирования

Сравнение результатов

Фактор

Коэффициент использования

теоретическое

"экспериментальное"ДЕКО

Ризотропияортотропи

я*

Условия смятия 0,88 0,94 0,91 0,805

Условия скалывания 0,66 0,54 0,57 0,659

Концентрация при скалывании 1,93 3,36 2,46 —**

Ослабленное сечение 0,34 0,29 0,31 —*

1. Изучить НДС изгибаемой балки из брусьев со сквозными пластинчатыми нагелями

Цель работы

1. Создать КЭ модель соединения в варианте с изотропными и анизотропными (ортотропия) свойствами;2. Определить характер распределения напряжений в пластинках 3. Определить величину наибольшего сдвигающего усилия Т, возникающего в пластинке;4. Построить эпюру нормальных напряжений в сечении балки;5. Определить теоретические значения величин Т, ;6. Проанализировать усилия при учете анизотропных свойств древесины (ортотропия);7. Сравнить полученные практические и теоретические значения и сделать выводы.

3. Соединение на пластинчатых нагелях

Порядок создания КЭ моделиа) создание фрагмента одного бруса с длиной равной двойному шагу расположения нагелей (2S = 220 мм) и высотой в половину высоты балки (h/2);б) копирование созданного фрагмента по вертикали (Z) для создания полного сечения балки (h);в) дробление созданных пластин на конечные элементы размером 5х5 мм;г) создание вырезов под пластинчатые нагели размером 15x60 мм;д) создание элементов нагелей размером 12х58 мм и дробление их на КЭ;е) ввод нагрузок, жесткостей и условий взаимодействия элементов (объединение перемещений);ж) копирование фрагмента балки длиной 2S до заданной длины L балки

Моделирование клеевых соединений

объединение по всем направлениям

объединение по всем направлениям

схема балки

сплачивание элементов

при помощи объединения

перемещений

Изотропная модель

Ортотропная модель

Анализ напряжений в моделях балки

изополя нормальных напряженийв опорной зонеи эпюрынормальныхнапряженийв среднемсечениибалки

Сравнение результатов

ФакторЗначение

теоретическоеэкспериментальное

изотропия ортотропияПеререзывающее усилие Т, кН

10,5 6,94 4,47

Нормальное напряжение , МПа

11,20 9,65 10,02

Максимальный прогиб, мм

14,13 11,01 14,44

• Избегание трудностей, связанных с постановкой физического эксперимента.

• Каждый студент выполняет индивидуальный эксперимент (количество вариантов исходных данных практически не ограничено).

• Подтверждение автоматизированного расчета «ручным» позволяет студенту понять основные принципы заложенных в программный комплекс алгоритмов и методик («общение» с программой не как с абстрактным «черным ящиком»).

• Необходимость выполнять исследовательскую работу (анализ ряда экспериментов, построение зависимостей,

сравнение результатов).• Внедрение в учебный процесс современных

информационно-коммуникационных технологий.

Сафиуллин М. Н.safiullinmarat@list.ru

УГНТУ, 2013