Delist.ru

Оптимальное проектирование орготропных конструкций мостовых сооружений при различных условиях нагрузения (17.11.2009)

Автор: Мохаммед Эльтантави Эльмадави Авад

Разработка метода и программного комплекса многокритериальой оптимизации конструкций на основе программ многовариантных расчетов с использованием генератора ЛП? – последовательностей для исследования пространства параметров (ИПП) и выбора рациональных значений параметров оптимизации, а также определение методики исследования и принятия решений при многокритериальной оптимизации ортотропных мостовых конструкций.

Сравнение результатов, полученных методом однокритериальной оптимизации с использованием нелинейного поиска и разработанным методом многокритериальной оптимизации.

Применение разработанных методов и программ для оценки проектных решений на примере оптимизации ортотропных стальных конструкций моста через Суэцкий канал в Египте.

, MS Excel), обоснование расчетных схем МКЭ путем тестирования на примере аналитических и известных решений, проведение численных исследований НДС с учетом приложения различных нагрузок с помощью известных и разработанных компьютерных программ, разработка применения методов многокритериального проектирования для оптимизации параметров ортотропной конструкции и использование разработанного программного комплекса для решения реальных задач.

Научная новизна работы. Научная новизна работы заключатся в следующем:

Разработан новый комплексный подход и соответствующие методы и программные средства для оптимального многокритериального проектирования ортотропных стальных конструкций автодорожных мостов на базе автоматизированного расчета и сравнения вариантов конструкций МКЭ с учетом различных нагрузок в соответствии с требованиями СНиП 2.05.03-84*.

Дан анализ и обоснование выбора расчетных схем МКЭ для ортотропной плиты при использовании программного комплекса MSC.Nastran.

Предложен способ автоматизации и ускорения расчетов вариантов геометрии путем использования script-языка с помощью VBA в Excel, необходимый для дальнейшей оптимизации конструкций.

Разработана новая программа на основе продуктов Femap – Nx Nastran (UGS) и Visual Basic For Application (MS Excel) - VBA, которая дает возможность проанализировать влияние геометрических параметров ортотропной конструкции, представлять в удобной для пользователя форме результаты, что имеет самостоятельное значение для проектного анализа, а также позволяет существенно ускорить процесс последующей оптимизации конструкции.

Разработан способ автоматизированного построения поверхностей влияния ортотропной плиты для получения верхней и нижней границы изменения значения исследуемого фактора от временных нагрузок и соответствующая программа.

Разработан метод исследования пространства параметров (ИПП) с помощью генератора ЛП? – последовательностей и соответствующая программа для получения рациональных ортотропных мостовых конструкций, удовлетворяющих требованиям СНиП 2.05.03-84* "Мосты и трубы" по условиям прочности, общей и местной устойчивости и разработана процедура принятия оптимальных решений на Парето-множестве.

Практическая ценность работы. Разработан комплексный метод и соответствующее программное обеспечение (программный комплекс), позволяющие предоставлять проектировщику в удобном для анализа виде оптимальные (рациональные) решения, удовлетворяющие различным критериям качества, для определения параметров стальных ортотропных плит проезжей части автодорожных мостов с учетом ограничений на множество проектных параметров и удовлетворяющие нормативным требованиям. Простота подготовки исходных данных для расчета ортотропной плиты на базе программных продуктов Femap – Nx Nastran (UGS) и Visual Basic For Application (MS Excel) – VBA и представление результатов в привычной среде Excel дает возможность пользователю проанализировать влияние геометрических параметров конструкции и позволяет упростить и ускорить процедуры последующей оптимизации конструкции. Разработанный метод обладает значительной общностью и, как показано на примере оценочной оптимизации конструкции проезжей части моста через Суэцкий канал, может быть использован для расчета сложных составных ортотропных конструкций. Разработанный подход и система автоматизации расчетов оптимальных параметров конструкции могут быть развиты в дальнейшем для оптимизации ортотропных конструкций мостов с учетом НДС в локальных зонах концентрации напряжений с ограничениями по выносливости и технологическими ограничениями, а также для оптимизации других строительных конструкций.

Реализация работы. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Строительная механика» в курсах сопротивления материалов (анализ моделей пластины и балки), строительная механика, численные методы строительной механики (примеры применения МКЭ и комплекса MSC.Nastran к расчету конструкций). Методы и программы после их ее рассмотрения в Мансурском Университете (Mansoura University) (Египет) на кафедре «Строительная механика» рекомендованы для использования в учебной практике. Разработанные алгоритмы и программы обсуждены и переданы в MSC.Software Corporation для совместного составления методических указаний пользователям.

Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на конференциях: Форум MSC 2008 (одиннадцатой Российской конференции пользователей MSC), 67 научно-методической и научно-исследовательской конференции в МАДИ (ГТУ), Форум MSC 2009 (двенадцатой Российской конференции пользователей MSC), а также на кафедрах «строительной механики» и «мостов и транспортных тоннелей» МАДИ (ГТУ).

Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы представлены в 5 печатных работах, в том числе трех статьях в научных журналах по списку ВАК РФ.

Достоверность полученных результатов. Достоверность работы обеспечена за счет сравнения результатов расчетов МКЭ и известных аналитических и численных решений, имеющих экспериментальное обоснование, а также путем сравнения данных, полученных в результате оптимизации простейших конструкций в программном комплексе MSC.Patran-Nastran и результатов многокритериальной оптимизации реальной конструкции предложенным методом. Достоверность обеспечивается также за счет квалифицированного использования хорошо известных лицензионных комплексов (RE007196MAR-1).

структура и Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов по работе, списка литературы и приложения. Полный объем диссертации составляет 150 страниц, включая 59 рисунков, 30 таблиц и список литературы из 133 наименований.

основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе рассматривается история развития конструктивных решений при проектировании проезжей части автодорожных мостов, использование ортотропных стальных конструкций, эволюция методов их расчета и проектирования, а также рассматриваются конструкционные материалы, нагрузки и воздействия, конструктивно-технологические решения для стальных автодорожных мостов. Перечислены преимущества и недостатки использования стальных ортотропных плит.

Проезжая часть пролетных строений с металлической ортотропной плитой обычно представляет собой одноярусную конструкцию, состоящую из листа настила, подкрепленного системой ортогональных продольных и поперечных ребер. Кроме традиционных плит с ортогонально расположенной решеткой ребер существуют конструкции плит с неортогональным набором ребер. В мостах с большими пролетами, например, вантовые и висячие мосты, используются, в основном, ортотропные конструкции, состоящие из замкнутой системы ортотропных плит.

Особенностью ортотропных плит сооружений автодорожных мостов является то, что они подвергаются местному воздействию временной подвижной нагрузки, а в составе пролетного строения - общему воздействию временных и постоянных нагрузок. Напряженно-деформированное состояние (НДС) в элементах плиты определяется как сумма НДС полученных по результатам расчета плиты на местное действие нагрузки и расчета плиты на общее действие нагрузки в составе главных балок.

Для расчета НДС ортотропной плиты как отдельного конструктивного элемента в различных работах использовался ряд методов:

Методы, основанные на замене фактической системы листа настила и дискретно расположенных ребер континуальной конструктивно-анизотропной пластиной, при этом в решении используется теория анизотропных пластин.

Действующие в плите усилия определяются в результате решения дифференциального уравнения изгиба анизотропной пластинки с различными упругими свойствами в ортогональных направлениях, здесь можно назвать множество работ, как общего характера, так и посвященных расчету ортотропных мостовых плит (Амбарцумян С.А., Климов С.А., Попов С.А., Скрябина Т.А.,Троицкий М.С., Cornelius W., Giencke E., Huber М., и др.). Задачу об изгибе ортотропной плиты с учетом нелинейности решали (Платонов А.С., Фурсов В.В. и др.). Изгиб конструктивно-анизотропных пластин с неортогональным набором ребер, как в линейной, так и в геометрически нелинейной постановках применительно к мостовым конструкциям рассматривал Данков В.С.

Методы, рассматривающие конструктивно - ортотропную плиту как плитно-балочную конструкцию.

Свое развитие эти методы получили в работах Улицкого Б.Е., Потапкина А.А., Руденко В.И., Александрова А.В. и др. Плита здесь расчленяется на отдельные элементы: плиты (лист настила) и балки (ребра плиты).

Численные методы расчета.

В связи с интенсивным развитием вычислительной техники широкое распространение получили численные методы, наиболее универсальным из которых является метод конечных разностей (МКР) (Абовский Н.П., Варвак П.М., Ильясевич С.А. и др.) и метод конечных элементов (МКЭ). МКЭ получил четкое математическое обоснование и стал признанным в практических расчетах конструкций благодаря работам Александрова А.В., Зенкевича О., Корнеева В.Г., Лащенкова Б.Я., Мяченкова В.И., Одена Дж., Постнова В.А., Розина Л.А., Сахарова А.С., Филина А.П., Шапошникова Н.Н., и многих других авторов. МКЭ для расчета ортотропных мостовых конструкций использовался в работах Городецкого А.С., Заворицкого В.И., Лантух-Лященко А.И., Новодзинского А.Л., Саламахина П.М.

Экспериментальным исследованием ортотропных плит занимались Бурцева М.А., Платонов А.С., Скрябина Т.А., Фурсов В.В., теоретическому и экспериментальному исследованию стальных плит с неортогонально расположенными ребрами посвящены работы Верещагина Ю.Ф., Данкова В.С., Нудельмана Л.Г. Работы, направленные на экспериментальное изучение сопротивлению усталости ортотропных плит, проводились Большаковым К.П., Гребенчуком В.Г., Короткиным В.В., Шишкиным В.Ю.

, CosmosM и др.). Использование этих комплексов в сочетании с многовариантностью (циклическим повторением) расчетов при проектировании конструкций создает проблемы сочетания расчетов на прочность и автоматизации оптимального проектирования конструкций.

Рассмотрены проблемы рационального и оптимального проектирования ортотропных мостовых конструкций, что необходимо в связи с большими затратами металла и высокой стоимостью всего жизненного цикла этих конструкций. Задачи рационального и оптимального проектирования мостовых конструкций решались как российскими, так и зарубежными коллективами. В основном применялись методы однокритериальной оптимизации на основе методов нелинейного программирования. Можно отметить работы ЦНИИСа, где разработана программа поиска оптимального решения на ЭВМ плитных пролетных строений (Боханова С.В., Егоров В.П., Игнатьев Е.Г., Кашаев С.К.). В МАДИ под руководством Саламахина П.М. разработана программа автоматизированного проектирования ортотропных плит проезжей части автодорожных мостов, обеспечивающая нахождение рациональной конструкции ортотропной плиты, удовлетворяющей требованиям СНиП 2.05.03-84* "Мосты и трубы" по условиям прочности, общей и местной устойчивости. В основу положена реализация инженерного метода последовательных приближений к искомому решению. В.М. Фридкин (МИИТ) разработал общие принципы формообразования в теории мостовых сооружений. Известны программы, предназначенные для проектирования стандартных мостов, а также проектирования плитных разрезных пролетных строений, разработанные и использующиеся в других странах (Великобритании, Франции). Во Франции разработано несколько программ для автоматизированного проектирования конструкций мостов, где поиск оптимальных решений осуществляется путем перебора возможных вариантов или по критерию стоимости или по критерию веса конструкции.

Обзор всех известных подходов к созданию программ автоматизированного оптимального проектирования мостовых конструкций показал, что их особенностью является использование методов однокритериальной оптимизации, требующих выделения целевой функции и свертки параметров оптимизации и ограничений, что затрудняет получение решения при нескольких критериях и накладывает излишне жесткие (определенные заранее) ограничения на пространство параметров. Этот вопрос рассматривался подробно И.В.Демьянушко применительно к задаче оптимизации вращающихся дисков, пластин и оболочек. В настоящее время в передовых отраслях – авиакосмической, судостроении, атомной промышленности начинают внедряться методы многокритериальной оптимизации (Егоров И.Н., Кретинин Г.В., Матусов И.Б., Статников Р.Б и др.), которые свободны от этих недостатков и позволяют проектировщику принимать решение в большем объеме предлагаемых вариантов оптимальных решений. Однако, во всех этих работах используются локальные программы расчета параметров. Сочетание процедур расчета поведения ортотропных конструкций при различных нагружениях МКЭ с процедурами многокритериальной оптимизации и составление единого комплексного программного решения с удобными интерфейсом и графическим оформлением для пользователя (проектировщика или исследователя) представляют собой достаточно сложную задачу, требующую разработки. Очевидно, что учесть все особенности конструкции и технологии изготовления ортотропных стальных плит, учитывая кроме общей прочности еще и местную пластическую деформацию в местах сочленения, особенности конструкции стыков в местах сварки, повторность нагружений, динамику и ряд других особенностей работы конструкции, хотя и важно, но решение такой оптимизационной задачи «в лоб» затруднительно. Важно получить общий метод, который в принципе позволяет проводить расчет и оптимизацию конструкций при любых конфигурациях и ограничениях. Поэтому было решено в работе остановиться на разработке самого метода, рассматривая пока ограничения области проектирования в соответствии с нормами СНиП 2.05.03-84* "Мосты и трубы" по условиям прочности, общей и местной устойчивости. Рассмотрены конструкций проезжей части моста через суэцкий канал (Египет), где используются коробчатые ортотропные конструкции. Показано, что целесообразно провести анализ проектных решений для конструкций этого моста с помощью разработанного метода, чтобы использовать результаты анализа в последующих проектах.

Вторая глава посвящена разработке расчетных моделей и расчета методом конечных элементов оребренных конструкций мостовых сооружений. Разработан выбор схемы конечноэлементной дискретизации ортотропной плиты, а также проведены исследования точности решения для предложенной конечно-элементной модели плиты, полученного с использованием программного комплекса Patran-Nastran. Применение МКЭ-моделей для расчета ортотропных плит стало повсеместным, однако результаты могут существенно отличаться при выборе различных типов элементов и оценке результатов расчётов. Рассмотрены и проанализированы три существующих подхода к моделированию ортотропных плит в МКЭ.

Модель из объёмных элементов: Эта модель даёт очень хорошее представление о структуре, а также хорошие результаты расчета напряжений и деформаций. Проблема состоит в том, что при своей строгости она является громоздкой и сложной в реализации.

Пластинчатая (двухмерная) модель: Балки смоделированы пластинами. Данная модель даёт хорошие результаты при расчете напряжений и деформаций. Эта модель также имеет преимущество при оценке местной устойчивости на жестких балках. Главные неудобства заключаются в том, что она такая же громоздкая, как и объёмная модель.

Смешанная модель: При применении регулярной структуры, которая состоит из группы жестких балок с равномерным разбиением, нас интересует поведение структуры (напряжения, деформации, эпюры изгибающих моментов и поперечной силы). Хороший результат может быть получен при моделировании плиты как пластины с использованием двухмерных элементов, а рёбер как бруса с использованием одномерных элементов. В этом случае пространственная задача сводится к двумерной, что позволяет уменьшить количество неизвестных системы. Уменьшение разрешающих уравнений позволяет ускорить время решения задачи. Таким образом в качестве основы КЭ-модели ортотропной плиты примем смешанную моделью дискретизации конструкции. Далее мы рассмотрим два способа моделирования при помощи смешанной модели.

Пластины с жесткими балками, моделируемыми с эксцентриситетом. Данный способ моделирования ортотропных пластин наиболее часто используется в практике расчетов. В этой модели применяется комбинация элементов пластины и элементов балки с эксцентриситетом (расстояние между срединной поверхностью пластины и центром тяжести сечения балки), см. Рис. 2.

Пластины с жесткими балками, моделируемые в одной плоскости (без эксцентриситета). В этой модели применяется комбинация элементов пластины и элементов балки без эксцентриситета (е = 0), см. Рис. 3.

Для анализа этих вариантов модели рассматривается двухопорная балка с центральной сосредоточенной нагрузкой (рис. 4) и ее расчет по известным аналитическим зависимостям сопротивления материалов и МКЭ.

загрузка...