Материал: Информационная система расчета строительных объектов в сейсмоопасных регионах

.        Расчет пространственной модели конструкции средствами ANSYS

.        Сравнительный анализ результатов.

2.1 Функциональные и эксплуатационные требования к системе

Программный продукт, разрабатываемый в рамках дипломного проекта должен удовлетворять следующему перечню:

Ø  функциональных требований:

o     унифицированный ввод параметров конструкции;

o   создание файлов моделей для ANSYS;

o   расчет конструкции по формулам СНиП II-7-81* [1];

o     расчет конструкции с помощью ПК ANSYS;

o     вывод сравнительного отчета в Word;

Ø  требований к надежности:

o     при наличии сбоев или ошибок (отсутствие программного обеспечения, необходимого для работы программы, неправильно введенные данные и т.п.) программа должна выводить сообщение с максимально возможным разъяснением возникшей проблемы;

Ø  эксплуатационных требований:

o     интуитивно понятный интерфейс программного продукта и отчета;

o   минимальное количество операций пользователя для расчета;

o     наличие руководства пользователя;

2.2 Обоснование выбора программных и аппаратных средств

Для выполнения дипломного проекта будет достаточно персонального компьютера в составе:

·        центральный процессор INTEL Celeron 2,8 GHz и выше;

·        оперативная память 512 Мb и выше;

·        свободное пространство на жестком диске 100 Mb;

·        CD-ROM;

·        монитор с разрешением не менее 1024x768;

·        клавиатура;

·        мышь;

·        принтер формата А4 (не обязательно);

Для написания дипломного проекта была выбрана интегрированная среда разработки Borland Delphi версии 7, которая позволяет достаточно быстро создавать приложения за счёт упрощения разработки визуальной части проекта, а так же имеет ряд других преимуществ:

·        Высокая производительность разработанного приложения;

·        Низкие требования разработанного приложения к ресурсам компьютера;

Работа программы осуществляется при наличии следующих программных средств:

·        операционная система Windows 98/2000/ХР/7;

·        ANSYS 12.0;

·        Мiсrоsоft Office;

·        среда программирования Delphi 7 и выше (не обязательно).

2.3 Расчет на основе СНиП II-7-81*

Рассматривается стержневая модель строительной конструкции (многоэтажное здание), где- массы этажей, сосредоточенные в точках на стержне (стержневая модель представлена на рис. 5).

Рис. 5 - Стержневая модель здания

Для вычисления собственных частот колебаний стержневой конструкции на основании СНиП необходимо решить систему уравнений:

                  (5),

где- массы этажей, сосредоточенные в точках на стержне;

Массы ai вычисляются в программе в зависимости от количества этажей, размеров и количества колонн и плит перекрытия и т.д. При этом пользователь вводит размеры конструкций и физические характеристики материала. Сосредоточенные параметры для формирования стержневой конструкции генерируются автоматически.- перемещение точек стержня от единичной силы, приложенной в n-ой точке;

Перемещения определяются с помощью ПК ANSYS. Проводится статический анализ стержневой модели: к каждой точке прикладывается единичная сила и значения перемещений записываются в матрицу для последующего использования в расчетах.

ω - круговая частота колебаний.

 - собственная частота колебания стержня, Гц.

Полученные значения f в дальнейшем сравниваются с данными модального анализа конструкции в ANSYS, где так же будет получен набор собственных частот колебаний для пространственной модели.

2.4 Расчет пространственной конструкции в ANSYS

Пространственная модель здания представляет собой конструкцию на четырех опорах, учитывающую ее протяженность в различных направлениях.

Базовыми конечными элементами конструкции являются:- стержни для конструкций колонн и ригелей;- для моделирования плит перекрытий.

Вертикальные стеновые панели учитываются путем добавления распределенных масс на элементы ригелей.

Параметры элементов:

–       BEAM4:

Геометрические характеристики:

AREA - площадь поперечного сечения;, IYY - моменты инерции поперечного сечения;- добавленная масса (отнесенная к единице длины балки).

Свойства материала:

EX - модуль упругости;- коэффициент Пуассона;- плотность материала.

–       SHELL63:

Геометрические характеристики:

ТК(1) - толщина в узле I;

Свойства материала:

EX - модуль упругости;- коэффициент Пуассона;- плотность материала.

По данным, введенным пользователем, формируется пространственная модель конструкции для обработки в ANSYS (пример модели конструкции приведен на рис. 6).

Рис. 6 - Пространственная модель конструкции в ANSYS

Пространственная модель конструкции для расчета на сейсмические воздействия значительно перспективней, т.к. позволяет уточнить формы колебаний и учесть сейсмические нагрузки, также появляется возможность проведения многофакторного анализа (со сдвигом фазы) в разных направлениях.

Для данной модели проводится модальный и спектральный анализ и генерируется файлы результатов.

На рис. 7 представлена визуализации результатов модального анализа.

Рис. 7 - а) изгибные колебания вдоль большей оси; б) изгибные колебания вдоль меньшей оси; в) крутильные колебания конструкции

2.5 Сравнительный отчет

В отчете приведены собственные частоты колебаний стержневой конструкции, определенные по СНиП, и собственные частоты пространственной конструкции из результатов модального анализа в ANSYS.

Так же приведена разница в процентах между полученными в двух вариантах расчета значениями частот.

При выборе опции спектрального анализа, в отчет выводятся значения сейсмических усилий и максимальные напряжения и перемещения в конструкции, а также номера узлов, в которых эти значения достигаются.

2.6 Разработка информационной системы

Работа с информационной системой предполагает интерактивный режим на основе различных форм управления.

а) Запуск программы

При запуске программы пользователю необходимо выбрать директорию для сохранения результатов расчетов и записи системных файлов при работе ANSYS (форма выбора директории представлена на рис. 8).

Имя директории и путь к ней не должны содержать кириллицу. Только латинские буквы (символы, цифры).

Рис. 8 - Окно выбора директории для работы

б) Ввод данных

Первоначальными входными данными модели являются размеры здания и его этажность.

После заполнения этажности здания откроется панель для заполнения параметров для каждого этажа (соответствующая форма представлена на рис. 9).

Т.е. с ее помощью можно отдельно для каждого этажа определить размеры и количество колонн на этом этаже, параметры плиты перекрытия, характеристики материалов колонн и плит. Дополнительные массы учитываются путем добавления их как распределенных на элементы ригелей.

Основными параметрами этажа являются:

высота этажа; ширина и длина колонны на этаже и их количество; модуль упругости, коэффициент Пуассона и плотность материала колонны; толщина плиты перекрытия; модуль упругости, коэффициент Пуассона и плотность материала плиты, а также дополнительные массы на этаже.

Рис. 9 - Главное окно программы

Т.к. редактируемые параметры являются числовыми, то для предотвращения ошибок ввода, во всех элементах LabeledEdit на форме для события OnKeyPress прописан следующий код:

…Key=',' then Key:='.';(key in ['0'..'9',decimalseparator,#8])=false then key:=chr(0);

…

Данный код запрещает водить в поля что-либо кроем цифр, а также автоматически преобразовывает системный разделитель.

Для такого параметра как «Модуль упругости», добавлена возможность вводить числа через экспоненциальный формат. Это реализуется добавлением одного символа в предыдущий код:

…(key in ['0'..'9',decimalseparator,'E',#8])=false then key:=chr(0);

…

Если параметры всех этажей одинаковы, то есть возможность упростить ввод, установив ключ «Все этажи однотипные».

После заполнения всех данных, можно сохранить их в текстовом файле, что позволяет упростить ввод и ускорить работу в последующем.

Предусмотрена и возможность загрузки сохраненного файла, что так же сокращает время, затрачиваемое на введение необходимых характеристик.

Чтобы кнопка «Расчет» стала активна, необходимо выбрать опции расчета: выполнить модальный анализ или выполнить и модальный, и спектральный анализ.

Но расчет не будет начат пока не заданы такие параметр, как категория грунта по сейсмическим свойствам (табл. 1), сейсмичность района и тип сооружения (табл. 2).

Таблица 1. Сейсмичность площадки строительства

Коэффициента сейсмичности района следует принимать равным 0,1; 0,2; 0,4 соответственно для расчетной сейсмичности 7, 8, 9 баллов;

Таблица 2. Характеристика зданий и сооружений

В зависимости от конфигурации расчета итоговый отчет будет содержать разные выходные данные.

в) Генерация файлов моделей для ANSYS

Когда введены все данные, выбраны опции расчета и кнопка «Расчет» активна, можно запустить собственно расчет.

В самом начале происходить генерация файлов моделей для обработки их в ПК ANSYS.

По введенным пользователем данным формируются 2 файла моделей конструкции:

o   стрежневая

procedure CreateAnsysFileBeam создает в указанной рабочей директории файл стержневой модели конструкции с сосредоточенными в точках параметрами;

o   пространственная

Текстовые файлы моделей приведены в приложении А.

г) Программный запуск пакетного режима ANSYS

Пакетный режим полезен, когда не нужно взаимодействовать с программой напрямую, а можно просто передавать файлы команд в фоновом режиме и они при этом будут выполняться в несколько раз быстрее, чем при использовании графического интерфейса.

Поэтому именно такой вариант работы с ANSYS я использовала в своем дипломном проекте.

Строка параметров:

путь к исполняемому файлу

"<drive>:\Program Files\Ansys Inc\V110\ANSYS\bin\<platform>\<versionansys>" -b -i inputname -o outputname, где

Таблица 3. Описание параметров вызова программы ANSYS

В моем дипломном проекте рассматривается версия ANSYS 12.0, установленная на 32-битной системы Windows. Поэтому строка подключения будет выглядеть следующим образом:

"<drive>:\Program Files\Ansys Inc\V110\ANSYS\bin\intel\ansys120" -b -i inputname -o outputname

При необходимости перебора версий программного продукта или определения разрядности системы, возможна доработка программного комплекса.

Т.к. ANSYS работает через переменные среды и все переменные записаны как системные, то не составляет труда программно определять путь к исполняемому файлу ANSYS.

Функция GetPath, перебирая все системные переменные, ищет переменную ANSYS<номер версии> (в данном случаем, ANSYS120) по названию.

Как только совпадение найдено, к пути, который хранит эта переменная, дописывается стандартный путь иерархии папок в ANSYS.

После того, как эта функция отработала, ее результат и будет путем к исполняемому файлу ANSYS.

Но при запуске программ из DELPHI в некоторых случаях возможны ошибки: неправильный путь, отсутствие исполняемых файлов, ошибки при их открытии и мн. др.

Для отслеживания подобных нюансов используется процедура RUN.

procedure RUN(ExecuteFile,ParamString:PChar);

Параметрами этой процедуры являются путь к исполняемому файлу и строка передаваемых параметров.

Эта процедура отслеживает запуск исполняемого файла, и если программа запустилась, то отработала ли так, как нужно. И, если же все-таки возникли какие-либо сбой или ошибки при запуске или работе приложения, то пользователь будет об этом оповещен, а программа закрыта.

д) Подбор жесткости стержня

Для соответствия пространственной и стержневой моделей конструкций необходимо уточнить жесткость стержневой конструкции.

Жесткость стержня подбирается таким образом, чтобы перемещения стержневой и пространственной конструкций в верхних точках были равны.

Рис. 10 - Схема подбора жесткости стержня

,

где C - жесткость; k - коэффициент пропорциональности жесткости конструкции и модуля упругости материал.

где E - первоначальный модуль упругости стержня; P - единичная сила; δ - перемещения стержня с модулем упругости Е при воздействии единичной силы Р; δэт - перемещения пространственной конструкции при воздействии единичной силы Р; Eэт - модуль упругости для стержневой конструкции, при котором перемещения конструкций примерно равны.

После того как жесткость стержня подобрана, файл стержневой модели генерируется заново, но уже с обновленным параметром модуля упругости. Так же производится загрузка файла пространственной конструкции со всеми подключенными анализами конструкции.

После чего в рабочей директории сохраняются сгенерированные ANSYS файлы с собственными частотами колебаний (если подключен только модальный анализ), сейсмическими усилиями, значениями максимальных перемещений и напряжений (если подключен еще и спектральный).

е) Расчет стержневой конструкции по СНиП

Для решения системы уравнений, оговоренной в п. 2.1, необходимы значения трех типов переменных:

ai - массы этажей, сосредоточенные в точках на стержне (считаются в программе автоматически по введенным параметрам);- перемещение точек стержня от единичной силы, приложенной в n-ой точке (определяются после проведения статического анализа конструкции в ANSYS, сохраняются в сгенерированные файлы и считываются в матрицу в программе);