В работе проведен расчет монтажного стыка отправочных марок полуарок в программном комплексе ANSYS с помощью метода конечных элементов (МКЭ) с использованием композитным материалов (базальтопластиковые стержни и углепластиковые пластины). В результате получены изополя напряжений и перемещений конструкции. Расчет в программном комплексе ANSYS позволяет провести сравнительный анализ результатов, полученных по СП 382.1325800.2017 [1] и СП 64.13330.2017 [2]. Сравнительный анализ имеет смысл, потому что в нормах недостаточно информации о композитных материалах.

Ключевые слова: ANSYS, древесина, метод конечных элементов, углепластик, базальтопластик, изополя, напряжение, перемещение.

Программный комплекс ANSYS, являющийся CAE-системой, предназначен для решения различных научных и инженерно-технических задач (расчеты на прочность, как линейные, так и нелинейные, теплообмен, гидродинамику, различные смешанные задачи). Математической основой, на которой построен вычислительный аппарат этого продукта, является метод конечных элементов (МКЭ).

Рис. 1. Схема расчета в ANSYS

В рамках работы с программным комплексом ANSYS общий порядок решения задачи с применением МКЭ состоит из следующих этапов:

1) идентификация задачи, присвоение ей имени;

2) создание геометрической модели;

3) разбивка модели на сетку конечных элементов;

4) задание граничных условий;

5) численное решение системы уравнений (автоматически);

6) анализ результатов.

Для проведения численных исследований напряжений и деформаций в запланированном узле, а также верификации полученных результатов в программе ANSYS Workbench в модуле Static Structural была создана расчетная модель:

После определения геометрии для каждой модели запрограммированы определенные характеристики материалов (углепластик, базальтопластик, КДК), чтобы создать максимально приближенную к реальности соединение.

Таблица 1

Исходные данные для моделирования стыка

Исходные данные для базальтопластика приняты на основании экспериментальных данных, приведенных магистерской диссертации, по углепластику на основании экспериментов [3].

Физико-механические характеристики клееной древесины задавались с использованием модели материалов Anisotropic Elasticity, для задания материала арматуры — Isotropic Elasticity с определенной плотностью и модулем упругости для каждого материала соответственно. Разрабатываемая методика численных испытаний основана на моделировании с помощью конечных элементов.

Создана конечно-элементная модель монтажного стыка сегментов полуарок, представляемая в виде балки для упрощения расчета, с размерами 7680х2046х360 мм, со стыком в центре во всю высоту. С обоих поясов балки закреплены пластины, в сжатой зоне размерами 6600х360х40 мм, в растянутой — 7240х360х40 мм. Расположение нагелей согласно Рис. 2.4.

Геометрия используемых при расчете конечных элементов приведена на Рис. 2 [4].

Рис. 2. Геометрия используемых при расчете конечных элементов: а) твердого тела SOLID185, б) пластины SHELL281, в) стержневого элемента BEAM188

На Рис. 3 представлена трехмерная модель рассчитываемого узла с нанесённой на нее тетраэдрической сеткой конечных элементов.

Рис. 3. Модель монтажного стыка

Сетка была создана посредством встроенного автоматического генератора объемных сеток. При моделировании клеевого соединения учитывалась нелинейность, связанная с наличием сил трения по поверхностям контакта (плоскости соприкосновения древесина-углепластик). Рассматривались разные варианты сеток. Размер и тип сетки существенно влияет на результаты расчета. С точки зрения сходимости и скорости расчета предпочтительней сетка с измельчением в зоне контакта.

Основной особенностью рассматриваемой конструкции является контактное взаимодействие тел [4] учет которого позволяет моделировать поведение составляющих ее элементов в процессе деформирования и разрушения. Напряженное состояние в контактных зонах крайне многообразно. Поверхности могут вступать и выходить из контакта внезапно. На напряженное состояние значительно влияет трение, и его необходимо принимать в расчет.

При учете трения в зонах контакта решение задачи существенно зависит от последовательности приложения внешних нагрузок, а в точках, входящих в контакт и выходящих из него, реализуются сложные программы нагружения [4].

В контакте выделяют две взаимодействующие поверхности — контактную пару. Одна из поверхностей условно называется «контактной», а вторая — «целевой». Выбор модели контакта — важнейший вопрос при решении контактных задач.

На торцы сегментов полуарки установлены граничные условия, препятствующие перемещения данного элемента по трем направлениям (конструкция жестко закреплена). На поверхность верхней пластины по центру в стык приложена нагрузка в 76,59 кН для создания силового воздействия, также добавлен параметр со стандартным земным притяжением по оси Y. На торцы сегментов полуарок добавлена продольная растягивающая сила равная 458,46 кН.

Для приближения расчета к испытаниям в реальной жизни в программе задан параметр передачи усилия пошагово — ступенями по 1кН. Для всей модели после проведения испытания установлены максимальное перемещение и максимальная возникающая нагрузка.

Изополя перемещений и напряжений приведены на Рис. 4,5

Рис. 4. Изополя перемещений

Рис. 5. Изополя напряжений

Согласно, компьютерному анализу, максимальное перемещение создается в месте контакта конструктивных поперечных стержней и пластины, расположенной в сжатой зоне, и равняется 0,65 мм.

Максимальные эквивалентные напряжения возникают по ширине пластины в зоне монтажного стыка и равняются 26,83 МПа.

Максимальное перемещение монтажного стыка показано на изополях перемещения и равно 0,65 мм.

До разрушения нагели работают упруго, однако после образования шарнира и характерного волнообразного скачка, видимого на кривой растяжения, образцы стремятся принять исходное положение несмотря на то, что полимерная матрица в точках с максимальными усилиями растрескалась и перестала обеспечивать жесткость соединения в целом. Разрушение образцов как со стальными, так и с композитными нагелями предсказуемо и прогнозируемо при помощи расчетных моделей строительной механики. Ссылаясь на результаты, можно сказать, что использование базальтопластика и углепластика, как замену стали, имеет место быть.

Литература:

1. СП 295.1325800.2017. Конструкции деревянные клееные на вклеегых стержнях. Методы расчета. М.: Минстрой России, 2017, 40 с.
2. СП 64.13330.2011. Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-22–81. — Москва, 2011–66 с.
3. Железняк, Вячеслав Геннадьевич. Связующие для полимерных композиционных материалов с повышенной вязкостью разрушения: автореферат дис... кандидата технических наук: 05.17.06 / Железняк Вячеслав Геннадьевич; [Место защиты: Гос. науч. центр РФ]. — Москва, 2014. — 17 с.