Лекция №1

1.

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)
Кафедра “САПР транспортных конструкций и сооружений”
Спецкурс
“Моделирование несущих конструкций”

2. Список литературы

1. А.В. Перельмутер, В.И. Сливкер. Расчетные модели
сооружений и возможность их анализа (издание 2-е).
– Киев: Изд-во Сталь, 2002. - 600 с.
2. А.А. Семенов, А.И. Габитов. Проектновычислительный комплекс SCAD в учебном
процессе. Часть 1.-М.: Изд-во АСВ, 2005. - 152 с.
3. В.С. Карпиловский, Э.З. Криксунов, А.А. Маляренко,
М.А. Микитаренко, А.В. Перельмутер, М.А.
Перельмутер. SCAD Office. Вычислительный
комплекс SCAD. – М.: Изд-во АСВ, 2004 592 с.
4. В.С. Карпиловский, Э.З. Криксунов, А.В.
Перельмутер, М.А. Перельмутер, А.С. Трофимчук.
SCAD для пользователя. – Киев: Изд-во КОМПАС,
2000.- 328 с.

3.

Электронные источники информации
www.scadsoft.com
www.dwg.ru
www.sapr.ru
www.cadmaster.ru
www.georec.spb.ru
www.fea.ru
www.stadyo.ru
www.tehsoft.ru

4. Лекция №1

1. Общие сведения о МКЭ комплексах
2. Практические примеры применения ПВК SCAD
3. Концепция ПВК SCAD

5. 1. Общие сведения о МКЭ комплексах

В последние 50-60 лет метод конечных
элементов получил широкое применение как
один из наиболее эффективных численных
методов решения задач в различных областях
науки и техники. Метод конечных
элементов (МКЭ) является численным
методом решения дифференциальных
уравнений, встречающихся в физике и
технике. Возникновение этого метода
связанно с решением задач космических
исследований (1950 г.). Впервые он был
опубликован в работе Тернера, Клужа,
Мартина и Топпа.

6.

Эта работа способствовала появлению других
работ; был опубликован ряд статей с
применениями МКЭ к задачам строительной
механики и механики сплошных сред.
Важный вклад в теоретическую разработку
метода сделал в 1963 г. Мелош.
Математические основы метода были
описаны в работах Де Клу.
В СССР наибольший вклад в развитие
данного метода внесли А.Ф. Смирнов,
Н.Н. Шапошников, А.В. Перельмутер, Р.А.
Резников и др.

7.

Связь МКЭ с процедурой минимизации привела
к широкому использованию его при решении
задач в других областях техники. В первых
работах с помощью метода решались задачи
распространения тепла. Затем МКЭ был
применен к задачам гидромеханики. Область
применения существенно расширилась, когда
было показано, что уравнения, определяющие
элементы в задачах строительной механики,
распространения тепла, гидромеханики, могут
быть легко получены с помощью таких
вариантов метода взвешенных невязок, как
метод Галеркина и метод наименьших
квадратов.

8.

Установление этого факта сыграло важную
роль в теоретическом обосновании МКЭ, так
как позволило применять его при решении
любых дифференциальных уравнений.
Метод конечных элементов из численной
процедуры решения задач строительной
механики превратился в общий метод
численного решения дифференциального
уравнения или системы дифференциальных
уравнений. Этот прогресс был достигнут за
пятнадцатилетний период за счет развития
ЭВМ.

9.

Основная концепция МКЭ. Основная идея
МКЭ состоит в том, что любую
непрерывную величину, такую, как
температура, давление и перемещение,
можно аппроксимировать дискретной
моделью, которая строится на множестве
кусочно-непрерывных функций,
определенных на конечном числе
подобластей называемых элементами.

10.

В настоящее время область применения
МКЭ очень обширна и охватывает все
физические задачи, которые могут быть
описаны дифференциальными
уравнениями. В настоящее время создано
огромное количество пакетов программ
реализующих МКЭ.
Одним из наиболее популярных
«промышленных» на данный момент на
«постсоветском пространстве» является
конечно-элементный комплекс SCAD.

11. Первые программные комплексы, в которых реализован метод конечных элементов, были разработаны в 60-х годах. К ним относятся

STRUDL-II, SAP-IV, NONSAP, ASKA,
NASTRAN, SESAM-69 и др.
Появлению этих универсальных программных
систем в силу особенностей метода конечных
элементов предшествовало создание
высокопроизводительных электронновычислительных машин, таких, например, как
IBM-370.

12. Начиная с конца 70-х годов в СССР появилось несколько десятков программных комплексов для разных ЭВМ, в которых был реализован

МКЭ.
К их числу относятся МИРАЖ, КАСКАД-2,
ПРОЧНОСТЬ-75, МКЭ/20, ПАРСЕК, ЛИРА,
СПРИНТ, FEA и ряд других программ.
В ряде других стран дальнейшее развитие
МКЭ и необходимость в проведении расчетов
конструкций на прочность также способствовали
дальнейшему развитию уже созданных
программных комплексов и разработке новых.

13.

Были разработаны сотни программных
комплексов, предназначенных для
приближенного решения самых
разнообразных задач не только из области
механики деформируемого твердого тела, но
и из таких областей как гидро и
газодинамика, динамика, акустика,
электротехника а также междисциплинарные
комплексы, так называемые multyphysics.
Наибольшее распространение из МКЭ
комплексов получили:
ABAQUS, ANSYS, ADINA, ASKA/DYNAN,
ADAMS, MARC, MSC/NASTRAN, EUFEMI,
COSMOS, HERCULE, MODULEF, SAP, LSDYNA, LUSAS, STAR-CD, Robot, STAAD.

14.

Из «отечественных» промышленных МКЭ
комплексов отметим такие как:
SCAD, СтаДиО, Лира, Stark, MicroFe,
Астра-Нова, ZENIT-95, Старт, ARM WinMashin

15. 2. Практические примеры применения ПВК SCAD

Монолитная железобетонная фундаментная плита
под несущий стальной каркас вытяжной трубы высотой 80м
на ОАО «Металлургический завод «Красный Октябрь»» г. Волгоград
Конечно-элементная модель
Выполненный фундамент

16.

Монолитная железобетонная конструкция покрытия
аквапарка в Ясенево в г.Москве (макет, конечно-элементная
модель и поля перемещений)

17.

Комбинированная вантово-ферменная конструкция покрытия
конькобежного стадиона в Крылатском в г.Москве

18. Опорная рамная конструкция для временного удержания существующих конструкций в фактическом положении при реконструкции здания

на Кутузовском проспекте в г. Москве

19. Конечно-элементная модель корпус административного здания, вписанного в существующую застройку

20.

Конечно-элементная модель жилого
загородного дома

21.

Конечно-элементная визуализированная модель
торгового комплекса в г. Троицке

22.

Конечно-элементная панельного здания из сборного
железобетона с монолитным плитным ж.б. фундаментом

23.

Административно-бытовой корпус завода
электронного оборудования в г. Обнинске

24. 3. Концепция ПВК SCAD

SCAD – это система, которая базируется на
методе конечных элементов (МКЭ) в форме
метода перемещений и предназначена для
расчета напряженно-деформированного
состояния (НДС), устойчивости, определения
частот и форм собственных колебаний,
анализа температурных воздействий,
решения задач статики и динамики в
линейной или геометрически нелинейной
постановке, а также широкого класса
строительных и других задач.
Как видно, совершенство достигается не тогда, когда уже ничего
нельзя прибавить, но когда уже ничего нельзя отнять.
Антуан де Сент-Экзюпери

25. Структура SCAD Office

SCAD Office это набор программ, которые могут обмениваться
информацией. Программы могут работать автономно

26. Вариант схемы накопления ошибок, требующих учета, на всех этапах моделирования:

ПВК SCAD
Препроцессор
Процессор
Постпроцессор
Вариант схемы накопления ошибок, требующих
учета, на всех этапах моделирования:

27.

Препроцессор
При моделировании конструкций сооружений
с помощь графического препроцессора SCAD
применяются:
• Развитая библиотека КЭ для генерации
полной конечно-элементной модели
конструкции на базе заданной геометрии
• Разнообразные графические средства
формирования и корректирования
геометрии расчетных схем, физикомеханических свойств материалов, условий
опирания и примыкания конструкций, а
также нагрузок;

28.

Препроцессор (продолжение)
Большой выбор параметрических прототипов
конструкций, включающий рамы, фермы,
ростверки, оболочки, поверхности вращения,
аналитически заданные поверхности;
• Возможность генерации КЭ сеток : вручную
(на основе указанных опорных точек),
автоматически (на плоскости – для сложных
частей геометрической модели);
• Возможность формирования расчетных
моделей путем складывания из различных
схем, копирования всей схемы или ее
фрагментов;

29.

Препроцессор (окончание)
• Возможность работы на сетке
координационных осей;
• Развитый механизм работы с группами узлов
и элементов;
• Назначение численно-аналитически или из
библиотек характеристик материалов и
сечений;
• Широкий выбор средств визуальных
контроля всех характеристик расчетной
модели сооружения на разных этапах ее
формирования;
• Возможность импорта геометрии

30.

Процессор (начало)
Процессор версии SCAD 11.1 имеет
следующие вычислительные способности:
• Расчеты на сейсмические, гармонические
колебания, импульс, удар, пульсации
ветровой нагрузки в линейной и
геометрически нелинейной постановках;
• Высокая скорость счета;
• Размерность решаемой статической задачи
около 1000000 степеней свободы
• Развитая библиотека конечных элементов;

31.

Процессор (окончание)
• Эффективные методы оптимизации
матрицы жесткости такие как: обратным
алгоритмом Катхилла-Макки, вложенных
сечений, параллельных сечений, фактор
деревьев, вложенных сечений.
• Возможность экспорта результатов в
проектно-конструкторские системы.

32.

Постпроцессор (начало)
Постпроцессор версии SCAD 11.1 имеет
следующие средства визуализации и численной
обработки результатов:
• Результаты расчета отображаются, как в
графической, так и в табличной формах;
• В графической форме результаты расчета
перемещений выводятся в виде
деформированной схемы, цифровой и цветовой
индикации значений, а также при помощи
изополей, изолиний, анимации форм колебаний
и деформирования;

33.

Постпроцессор (продолжение)
•Усилия в стержневых элементах
представляются при помощи эпюр для всей
схемы и отдельных элементов и цветовой
индикации максимальных значений,
выбранного силового фактора;
• Усилия и напряжения в пластинчатых и
объемных элементах в виде изополей и
изолиний;

34.

Постпроцессор (окончание)
•Графическое представление результатов
работы при расчете элементов ж.б.
конструкций в виде эпюр для стержневых
элементов и изополей и изолиний
распределения арматуры – для пластинчатых
элементов;
• результаты расчета в табличной форме
могут экспортироваться в редакторы MS Word и
MS Excel;
• возможность локализации результатов
расчета в заданном диапазоне значений
перемещений и силовых факторов