автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Автоматизированное проектирование стержневых систем регулярной структуры с шарнирными узлами

На правах рукописи

Царитова Надежда Геннадьевна

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТЕРЖНЕВЫХ СИСТЕМ РЕГУЛЯРНОЙ СТРУКТУРЫ С ШАРНИРНЫМИ УЗЛАМИ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 АПР 2015

Ростов-на-Дону — 2015

005568120

005568120

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» на кафедре «Строительные конструкции, строительная и прикладная механика»

Научный руководитель: Бузало Нина Александровна,

кандидат технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Свентиков Андрей Александрович

доктор технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет», доцент кафедры «Металлические конструкции и сварка в строительстве» Марутян Александр Суренович кандидат технических наук, доцент, ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный

университет» (филиал в г. Пятигорск) профессор кафедры «Строительство»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Волгоградский

государственный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится «21» мая 2015 г. в 10 — часов на заседании диссертационного совета Д 212.207.02 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный строительный университет» по адресу: 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162, корп. 1, ауд.1125. Тел./факс 8(863) 201-90-99. e-mail: dis_sovet_rgsu@ma!l.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государственного строительного университета и на сайте www.rgsu.ru

Автореферат разослан «16» апреля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного -——___

совета канд. техн. наук, доцент Уу*^»^«^ А.В. Налимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Повышение эффективности строительных конструкций на основе совершенствования конструктивных форм, разработки новых рациональных типов конструкций и методов их расчета - одна из актуальных задач строительной отрасли. Применение сложных, визуально выразительных конструктивных решений стало одной из характерных особенностей архитектуры последних десятилетий. Особой популярностью у архитекторов пользуются пространственные стержневые конструкции (ПСК), которые позволяют на рациональной основе осуществлять поиск новых вариантов объемно-планировочных решений, создавать здания многоцелевого функционального назначения благодаря применению большепролетных и трансформируемых конструкций; разнообразить архитектурные формы и композиционные средства. ПСК применяются в конструкциях производственных, уникальных спортивных, выставочных, торгово-развлекательных зданий и сооружений. Преимуществом ПСК является модульность строения, позволяющая организовать поточное изготовление однотипных элементов на высокопроизводительных производственных линиях, доступность и целесообразность крупноблочного монтажа, облегчение элементов ограждения благодаря малым размерам ячеек поясных сеток при отказе от прогонов, архитектурная выразительность при разнообразии форм. Целесообразно применение ПСК во временных сезонных сооружениях, что объясняется возможностью их сборки, разборки и повторного монтажа.

В полной мере экономически целесообразным становится использование ПСК при их массовом изготовлении на специализированных заводах. Для внедрения ПСК в массовое производство острым становится вопрос об автоматизации их проектирования и производства. Требуется разработка методики автоматизированного проектирования, доступной для широкого использования в проектных организациях.

Проведение численных, аналитических и экспериментальных исследований, направленных на совершенствование методики автоматизированного проектирования ПСК с шарнирными узлами, является актуальным.

Целью диссертационной работы является совершенствование технологии автоматизированного проектирования стержневых систем регулярной структуры с шарнирными узлами.

Основные задачи исследования:

- изучить разнообразие пространственных стержневых систем регулярной структуры, систематизировать их по способу образования;

- построить визуальную модель ПСК и ее шарнирного узла;

- выполнить исследование работы узла ПСК численным, аналитическим и экспериментальным методами с учетом особенностей его работы в нелинейной стадии;

- разработать методику расчета, позволяющую проектировщику определять силовое сопротивление шарнирного узла ПСК с учетом конструктивных особенностей;

- создать алгоритм и компактную программу для ЭВМ для расчета узлов стержневых систем регулярной структуры.

Научная новизна работы:

предложена новая методика формообразования пространственных стержневых арок на основе изменения длин стержней правильных многоугольников, составляющих арку, а также за счет изменения угла между стержнями в шарнирном узловом соединении;

исследован новый вид узла ПСК, который может использоваться в несущих и ограждающих элементах зданий и сооружений, отличающийся от известных тем, что в его конструкцию внесены изменения, обоснованные новыми данными об особенностях его работы, доказана надежность конструкции узла и даны рекомендации по его использованию;

предложена новая методика оценки надежности узла ПСК при чрезвычайных ситуациях, отличающаяся тем, что позволяет изучить напряженно-деформируемое состояние узла при запроектных воздействиях;

разработана новая методика проектирования шарнирного узла ПСК, использующая современные средства САПР, отличающаяся от существующих созданием и исследованием твердотельной модели узла с учетом нелинейных факторов;

разработан новый эффективный метод изучения работы узла ПСК, наряду с численным и экспериментальным исследованием был выполнен аналитический расчет узла, сопоставлены полученные результаты, что позволило повысить конструкционную безопасность сооружения;

предложен новый способ определения силового сопротивления шарнирного узла ПСК, разработанный на основе математического моделирования, отличающийся от существующих тем, что используется вновь созданная компьютерная программа, позволяющая инженеру выполнять проектирование узлов ПСК без специальной подготовки.

Практическая значимость. В Южных регионах нашей страны востребованы быстровозводимые легкие ПСК сезонных спортивных и зрелищных сооружений, которые могут быть смонтированы в короткие сроки и, при необходимости, легко демонтированы. Применение подобных сооружений не требует устройства массивных фундаментов, специальной

инженерной подготовки территорий, снижая тем самым нагрузку на окружающую среду. Разработанные методики автоматизированного проектирования позволят широко применять легкие эффективные ПСК, снижая затраты на их изготовление.

Результаты работы внедрены в учебный процесс ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова, практику Межвузовского проектного бюро ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова и ОАО «ЭНЕКС» «Южэнергосетьпроект».

Достоверность результатов, полученных в диссертации подтверждается корректностью математической постановки задачи, физически обоснованными расчетными моделями и использованием апробированных гипотез строительной механики, соответствием разработанных моделей реальным условиям работы конструкций, а также сравнением полученных расчетных и экспериментальных результатов.

Степень разработанности темы. Значительный вклад в совершенствование проектирования узлов ПСК внесли как отечественные, так и зарубежные инженеры и ученые, в частности в ЦНИИПСК им. Н.П. Мельникова выполнены исследования по численному и экспериментальному моделированию работы элементов ПСК.

Однако проблема автоматизации проектирования ПСК с учетом нелинейных факторов еще остается актуальной, что определило выбор темы диссертационного исследования.

Теоретическая значимость работы заключается в получении новых знаний, основанных на анализе полученных результатов моделирования узлов ПСК с учетом геометрической и физической нелинейности, контактных напряжений в узле методом последовательных нагружений.

Методология и метод исследования - системный анализ научно-технических результатов исследования ПСК, а также современные методы информационного обеспечения.

На защиту выносятся:

- методика определения силового сопротивления шарнирного узла ПСК;

- новая методика оценки надежности узла ПСК при чрезвычайных ситуациях и запроектных воздействиях;

- новый эффективный метод исследования узла ПСК, основанный на современных средствах САПР, позволяющий наряду с аналитическим и экспериментальным выполнить численное исследование узла, сопоставить полученные результаты;

- результаты экспериментального и численного моделирования силового сопротивления шарнирного узла;

- конструкция нового модернизированного шарнирного узла ПСК.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технический конференции «Строительство-2014» в Ростовском государственном строительном университете (Ростов-на-Дону, РГСУ, 2014 г.), на международной научно-практической конференции «Оптимизация и ресурсосбережение строительных конструкций зданий и сооружений, водохозяйственных систем и инженерная экология» (Новочеркасск, ЮРГПУ (НИИ) им. М. И. Платова, 2014 г.), на IV международной конференции «Современные концепции научных исследований» (г. Москва, 2014 г.), на восьмой международной научно-практической конференции «Строительство в прибрежных курортных регионах» (Сочинском государственном университете, г. Сочи, 2014 г.), на V-м Международном симпозиуме «Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений» (г. Иркутск, 2014 г.)

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 9 печатных изданиях, в том числе 3 в научных журналах, входящих в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем составляет 110 страниц, в том числе 67 рисунков, 9 таблиц, список литературы из 94 наименований, из них 10 на иностранных языках.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследования, показаны научная новизна и практическая значимость работы, приведена ее краткая характеристика.

В первой главе приведены общие сведения о пространственных стержневых конструкциях, выполнена их классификация по конструктивным особенностям и видам узловых соединений, проанализирован опыт применения ПСК и современное состояние отечественных и зарубежных исследований по их проектированию.

На основе анализа опубликованных работ установлено, что изучению ПСК посвятили свои исследования В.Г. Шухов, Д. М. Гарфункель, 3. Маковский, Дж. Боррего, А.З. Клячин, М. С. Туполев, A.A. Попов, А.И. Волоков, О.М. Вартанян, Б. Фуллер, Отто Фрей, Р. Ле-Риколе, А. Квормби и другие.

За последние годы в России возведены такие объекты, как Большая ледовая арена для хоккея с шайбой в г. Сочи, Ледовый дворец спорта на Ходынском поле, Большая спортивная арена в Лужниках, здание аэровокзального комплекса «Внуково-1» в г. Москва, за границами России построены футбольный стадион в Браге, стадион в Шанхае, Олимпийский стадион в Монреале - покрытия этих сооружений выполнены с применением ПСК.

В ЦНИИПСК им. Н.П. Мельникова разрабатывают уникальные конструктивные формы несущих пространственных металлических конструкций общественных зданий, спортивных и транспортных сооружений; исследованию новых конструкций и узлов соединения элементов посвящены работы Д.Л. Мосягина, И.Л. Ружанского, Л.И. Гладштейна.

В мировой практике применения ПСК насчитываются сотни различных систем, отличающихся, прежде всего, конструкцией узловых соединений стержней. Именно в этом сосредоточены главные особенности технологии изготовления и сборки конструкции, определяющие отличия одних систем от других. В работе рассмотрены примеры узловых соединений ПСК. Отдельно рассмотрен узел, разработанный и запатентованный профессором ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова А. А. Тумасовым (рис. 1). Шарнирный узел ПСК регулярной структуры состоит из прижимных деталей (дисков), выполненных со сферическими лунками на обращенных одна к другой поверхностях и радиальными прорезями, центрального стяжного болта, фиксирующих болтов, размещенных между прорезями, стержней со сферическими наконечниками, расположенных радиально в плане между прижимными дисками.

В заключении главы формулируются цель и задачи численных и экспериментальных исследований диссертационной работы.

Во второй главе рассматривается ПСК, монтаж которой может выполняться без специальных средств за счет изменения длин стержней нижнего пояса. В спокойном виде перед монтажом ПСК показана на рис. 2,а, в виде готовой смонтированной конструкции на рис. 2,6. К узлам арки были приложены нагрузки от собственного веса элементов покрытия, временные нагрузки, выполнен расчет в линейной постановке с использованием ППП SCAD и получены усилия, возникающие в стержнях. В конструкции выделен наиболее нагруженный узел, стержневая модель которого приведена на рис. 2,в.

а)

В)

Рис. 2. а) модель ПСК в спокойном виде перед монтажом, б) модель смонтированной арки, в) стержневая модель узла

Для исследования работы шарнирного узла ПСК построена его модель с помощью программного комплекса 5оШ\¥огк8, позволяющего выполнить твердотельное параметрическое ассоциативное моделирование деталей любой сложности. Этот комплекс - одно из средств САПР для автоматизации работ на этапах конструкторской и технологической подготовки производства, создает конструкторскую документацию в строгом соответствии с ГОСТ. Проектируемый шарнирный узел ПСК состоит из отдельных частей: верхнего и нижнего прижимных дисков, стержней со сферическими наконечниками, центрального стяжного болта, прижимных болтов. На рис. 3,а показан разработанный эскиз прижимного верхнего диска с указанием всех размеров, а на рис. 3,6 представлена его ЗБ модель, полученная автоматически с помощью пакета 8оН<1\¥огкз.

\ О 1 I О/ а)

• : ТЛ

9 \ о- о- а э^- у ■ А* 1: _С__

-*"*•} """ '" '■ ' I - -----— ' I ----- ---.. ) 7

Рис. 3. а) эскиз прижимного диска, б) З-О модель прижимного диска

Таким же образом с помощью пакета БоШХУогкз были разработаны все детали, составляющие узел ПСК, конечным этапом было создание шарнирного узла в сборе, модель которого показана на рисунке 4.

Рис. 4. Твердотельная модель узла

Умение предсказать и описать поведение конструкции в любой период ее существования - основная задача теории сооружений. Очевидно, что эта задача не может быть решена методами линейной строительной механики, так как форма и размеры конструкции при определенных нагрузках существенно изменяются. На необходимость учета нелинейного характера зависимости между напряжением и деформацией указывали В.В. Новожилов, П.А. Лукаш. Решение задачи с учетом геометрической и физической нелинейности с использованием метода последовательных нагружений (МЛН), предложено В.З. Власовым и В.И. Феодосьевым.

Для расчета деталей узла и выполнения анализа силового сопротивления прижимного диска с учетом конструктивной и физической нелинейности был использован метод конечных элементов.

Применение программного комплекса А№УБ позволяет реализовать МПН и уже на этапе проектирования выяснить, как выполняемая проектная разработка будет вести себя в эксплуатационном режиме. Особенностью программы АЫЗУЗ является файловая совместимость продуктов семейства АИБУБ для всех используемых платформ. В работе выполнен численный эксперимент, базирующийся на конечно-элементном моделировании, решена геометрически, физически и конструктивно нелинейная задача, обусловленная контактным взаимодействием деталей узла ПСК рис. 5.

А У** smt.li«а)

т«* зн»«

Ц«1 ТИП 1

2511 201322 09

- 4.9618*8 Мах

I '.62648

- 4.270148

- 3.814348 3.558448

Рис. 5. Значения напряжений, полученные численным моделированием

Анализ полученных результатов показал, что даже при небольших нагрузках в узле происходят значительные деформации, переходящие в пластические на кромках постелей под шаровые наконечники, вследствие недостаточно жесткого соединения оголовков стержней между прижимными дисками. Так как увеличение толщины дисков приводит к значительному утяжелению всего узла, было принято решение о доработке конструкции узла. Между прижимными дисками установлены втулки, обеспечивающие более жесткое соединение и равномерный прижим оголовков стержней. Конструкция модернизированного узла показана на рис. 6.

Рис. 6. Вид модернизированного узла

С помощью программного комплекса А^УЭ был проведен анализ силового сопротивления модернизированного узла. Для упрощения расчета и снятия влияния стержней на напряженно-деформированное состояние (НДС) узла стержни были заменены только шаровыми наконечниками, три из которых были опорными - т.е. жестко закреплены к «земле», к трем другим приложена нагрузка. Задача решалась в нелинейной постановке. Материал узлов - конструкционная сталь, диаграмма с-е с линейным упрочнением. Контактное взаимодействие между шаровыми наконечниками и прижимными дисками - нелинейное с учетом трения, между болтами и нижним прижимным диском — неразрывное, между болтами и верхним прижимным диском — нелинейное без учета трения. Модель узла показана на рис. 7, а. Полученные результаты на рисунке 7, б, в.

Рис. 7, а) модель узла и приложение нагрузок

Рис. 7, б) суммарные деформации

Рис. 7, в) пластические деформации в модернизированном узле

Анализ результатов конечно-элементного моделирования модернизированного узла ПСК позволяет сделать вывод о его надежности. Установка втулок обеспечивает достаточную несущую способность узла и отсутствие чрезмерных деформаций прижимных дисков. Для прогнозирования сроков службы узла ПСК, его безопасности при чрезвычайных ситуациях и запроектных воздействиях с помощью программно-вычислительного комплекса А^УБ был проведен численный эксперимент, в котором испытывался модернизированный узел на прочность при вырывании стержня. Надежность конструкции узла подтвердилась. Узел может быть внедрен для массового производства ПСК.

В третьей главе для оценки работы прижимного диска на изгиб в аналитической постановке использована теория изгиба пластин в изложении В.И. Феодосьева. Под действием внешних сил, перпендикулярных к срединной плоскости, диск меняет свою кривизну. Изменение кривизны происходит одновременно в двух плоскостях, образуется некоторая слабо изогнутая поверхность двоякой кривизны. При расчете диска предполагается, что прогиб со существенно меньше толщины диска Ь. При этом изгиб диска можно рассматривать независимо от растяжения. Считается, что нормальные

напряжения в сечениях, параллельных средней плоскости, пренебрежимо малы по сравнению с изгибными напряжениями.

Задача определения напряжений и деформаций сводится к расчетной схеме пластины (рис. 8, а), нагруженной по контуру отверстия распределенной нагрузкой Р (рис. 8, б).

а)

б)

Рис.8, а) вид прижимного диска, б) расчетная схема диска

Прогиб диска определяется (приведен частный случай расчета диска толщиной 5 мм при интенсивности нагрузки 2000 кН/м)

1 + м 2a2b2 , 2 Ъ

--—-г In" —

l-/i Ъ~ —а~ а

2000

fl.2±MW-o,oo6>),

8-3,14-2288^2 1 + 0,3

1 + 0,3 2-0,0062 -0,042 , 0.04 0 ^ ,Л_5

+-:---:-—-= 8,6*10 5м

1-0,3 0,04"-0,0062 0.006

D-

Elr

12(1-

Н/м;

Здесь D - цилиндрическая жесткость пластины р - коэффициент Пуассона стали; a, b - размеры пластины, мм; Р - значение приложенной нагрузки Н/м.

С помощью ПК Microsoft Excel автором была создана программа «DISK» позволяющая рассчитать значения прогибов центра прижимного диска при различных его характеристиках (таблицы 1 и 2). Таблица 1 позволяет варьировать значения параметров диска: толщину, модуль упругости, коэффициент Пуассона, внутренний и внешний радиусы, цилиндрическую жесткость D, текущий радиус.

Таблица 1

Предел текучести, МПа 270

Толщина, м Ь 0,005

Модуль упругости, Па Е 2,06Е+11

Коэфф. Пуассона ту 0,3

Внутренний радиус, м а 0,006

Внешний радиус, м Ь 0,04

Натур. логарифм(Ь/а) Ьп(Ь/а) 1,89711998

Цилиндр, жесткость, Нм Э 600,018489

Текущий радиус, м г 0,006

Таблица 2

Значения интенсивности моментов, нормальных напряжений и прогибов прижимной детали толщиной 5 мм

№ п/п Нагрузка Р, Н/м Прогиб V/, м М„Н М„Н МПа МПа

1 250 1.07561Е-05 0 111,447638 0 26,747433

2 500 2Д5122Е-05 0 222,895275 0 53,494866

3 750 3,22684Е-05 0 334,342913 0 80,242299

4 1000 4,30245Е-05 0 445,79055 0 106,989732

5 1250 5,37806Е-05 0 557,238188 0 133,737165

6 1500 6,45367Е-05 0 668,685825 0 160,484598

7 1750 7,52929Е-05 0 780,133463 0 187,232031

8 2000 8,6049Е-05 0 891,5811 0 213,979464

9 2250 9,68051Е-05 0 1003,02874 0 240,726897

10 2500 0,000107561 0 1114,47638 0 267,47433

На рис. 9 показана графически зависимость прогибов от нагрузки для одного из вариантов диска толщиной 5 мм, полученная с помощью созданной программы.

о

О 0,0001 0.0002 о.оооз о.оооа

Прогиб центра, м

Рис. 9. График прогибов прижимного диска, полученный по результатам аналитического расчета

Одной из задач, поставленных в работе, было сравнение значений прогибов прижимного диска, полученных аналитическим путем со значениями, полученными численным методом с учетом конструктивной нелинейности. Внедрение в проектную практику расчета деталей узла численным методом весьма проблематично, т.к. требует больших затрат времени и специальной подготовки инженера, поэтому предлагается созданная на основе линейного аналитического расчета, новая инженерная методика расчета прижимного диска узла с введением эквивалентной толщины диска 5Э1<В.

V

8 = V

л

фак

где Уфак - объем прижимного диска,

Афак - площадь верхней грани планки с отверстием внутри.

Для рассмотренного случая толщина 5 мм прижимной детали должна быть заменена в аналитическом решении эквивалентной толщиной , Уфа, 0,0000315

о ,„ = —— =-= 0,0032(.и) = 3,2(мм).

Афак 0,009822

При таком же загружении прижимного диска (рис. 10) методом конечных элементов в ПВК АЫБУЗ выполнен его расчет с учетом конструктивной нелинейности.

A. Siatic Structural

Sialic Statural Типе 1,8 OS 11 201« 1248

[Ж] Remote force: 2500, N

¡gj Fixed Supo ort

[Г] Remote Displacement 2

jy

0.030 (m) ----

Рис. 10. Схема загружения конечно-элементной модели

Результаты численного эксперимента - значения деформаций прижимного диска показаны на рис. 11.

A: Static »luctmai

Diocsonsl ОеЛншэвоя

Typs Dimcticnsi DifDmiaticn{V ftae

Unit m

Global Coordinate Srstem Tims 1 (Urconveigedj 08.1=1 2014 1239

¿3?

Рис 11. Распределение деформаций прижимного диска

Совмещение графиков зависимости деформаций от нагрузки, полученных аналитическим расчетом и методом конечных элементов в ПВК АЫБУБ, дает полное совпадение в упругой стадии (рис. 12).

Прогиб, м

Рис. 12. Результаты расчета прогибов аналитическим и численным методами

Полученные в результате численного эксперимента данные позволяют считать использованные аналитические решения достаточно достоверными, что доказывает возможность использования созданной автором методики, алгоритма и программы инженерного расчета прижимного диска узла ПСК в проектной практике.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию силового сопротивления прижимного диска шарнирного узла ПСК. Эксперимент проводился в лабораториях ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова.

Цель эксперимента - определение силового сопротивления прижимного диска, в т.ч. величины предельной нагрузки, воспринимаемой диском. Прижимной диск представляет собой деталь толщиной 5 мм (рис. 13), с центральным отверстием под прижимной болт, в детали выполнены отверстия с фасками с внутренних сторон для крепления стержней со сферическими наконечниками.

Рис. 13. Образец прижимного диска для экспериментального исследования Механические характеристики стали, из которой изготовлены прижимные

детали, определялись испытанием на растяжение плоских образцов. Среднее

значение временного сопротивления ^„=453 МПа, а среднее значение предела

текучести Яуп=280 МПа.

Испытания прижимных дисков на внецентренное сжатие проводились

статической нагрузкой на базе универсальной машины типа УММ-5 (рис. 14,а)

ГОСТ 7588-61 с предельной нагрузкой 5т на специально сконструированной

установке (рис. 14,6).

Нагружающее устройство машины позволяет прикладывать силу с малой скоростью, фиксировать ее значение на постоянном уровне. Нагрузка регистрировалась динамометром. Прогиб прижимного диска регистрировался индикатором часового типа с ценой деления 0,01 мм в середине детали. После установки экспериментального образца все показания приборов обнулялись.

Нагрузка прикладывалась ступенчато вращением рукоятки, и изменения на устройстве регистрации прогиба фиксировались.

Рис. 14. а) универсальная машина УММ-5; б) общий вид испытательной установки

По результатам эксперимента был построен график зависимости деформаций от нагрузки, представленный на рис. 15.

Прогиб, м

Рис. 15. График прогибов прижимного диска, полученных экспериментальным

путем

В четвертой главе был проведен анализ экспериментальных данных и сопоставление с результатами аналитического расчета и численного моделирования (рис. 16). На всех кривых наблюдается плавный переход от упругой стадии деформирования к упругопластической. При развитии пластических деформаций тангенс утла наклона касательной к кривым заметно уменьшается.

2500

2000

. 1500

1000

У1КЭ

эксперимент

аналитичес

счет

0,0001

0,0002

0,0003 0,0004

Прогиб, м

0,0005

0,0006

Рис. 16. Сравнение результатов прогибов прижимного диска, полученных численным, аналитическими экспериментальным методами

Результаты эксперимента в целом соответствуют данным теоретического расчета: прогибы в упругой стадии — теоретические и замеренные при испытаниях —- практически совпали, а при развитии пластических деформаций разница между теоретическими и экспериментальными прогибами прижимного диска не превышала 15 %, причем при нагрузках, близких к предельным, эта разница уменьшалась до 8... 10 %. Полученные экспериментальные данные позволяют считать использованные теоретические решения достаточно достоверными.

В результате проведенного исследования были выявлены слабые места в конструкции узла ПСК, предложена его новая модернизированная версия, которая может быть внедрена в массовое производство.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Построена визуальная модель ПСК и ее шарнирного узла. На основании разработанной методики, определены напряжения и перемещения в узле ПСК численным методом в нелинейной постановке, аналитическим и экспериментальным методами.

2. Впервые выполнено численное моделирование узла ПСК с учетом геометрической и физической нелинейности методом последовательных нагружений, учтена конструктивная нелинейность узла - контактное взаимодействие между шаровыми наконечниками стержней и прижимными дисками. Предложенная методика численного моделирования позволяет предсказать и описать поведение конструкции в любой период ее жизненного цикла.

3. Разработана инженерная методика расчета, позволяющая проектировщику определять силовое сопротивление шарнирного узла ПСК с учетом его конструктивных особенностей и особенностей работы в нелинейной стадии.

4. Созданы алгоритм и компактная программа для ЭВМ инженерного расчета узла стержневых систем регулярной структуры. Проведенные численные исследования позволили получить новые данные о работе узла ПСК с учетом геометрической, физической и конструктивной нелинейности.

5. Разработаны программа и методика экспериментальных исследований деталей узла ПСК, для реализации которых создана оснастка и конструкция испытательного стенда.

6. Даны рекомендации по проектированию узлов ПСК, в частности о назначении эквивалентной толщины прижимных дисков узла при инженерном расчете.

7. В результате проведенного исследования и разработанной методики были выявлены слабые места в существующей конструкции узла ПСК, предложена его новая модернизированная версия, которая может быть внедрена в массовое производство. Подана заявка на полезную модель.

8. Результаты работы внедрены в учебный процесс ЮРГПУ (НПИ), практику Межвузовского проектного бюро ЮРГПУ (НПИ) и ОАО «ЭНЕКС» «Южэнергосетьпроект».

Основные положения диссертации представлены в следующих опубликованных работах.

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Царитова Н.Г. Принципы формообразования пространственных стержневых конструкций. «Известия ОрелГТУ». Серия «Строительство. Транспорт»- 2009. -№2/22.-С. 43-49.

2. Бузало H.A., Алексеев С.А., Царитова Н.Г. Численное исследование шарнирного узла пространственной стержневой конструкции. [Электронный ресурс] Науковедение: интернет журнал. - 2014. — Вып. 2 (21). — URL: http://naukovedenie.ru/PDF/67TVN214.pdf

3. Бузало H.A., Алексеев С.А., Царитова Н.Г. Автоматизация проектирования пространственных стержневых конструкций. Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. Науки. - 2014г. -№ 6. - С. 83-87

В других изданиях:

4. Бузало H.A. Моделирование работы узловых элементов пространственных стержневых конструкций/ С.А. Алексеев, Н.Г. Царитова. [Электронный ресурс]/ Строительство в прибрежных курортных регионах /: материалы VIII Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. итогам Олимпийского стр-ва в г. Сочи, г. Сочи, 19-23 мая 2014г./ Сочинский гос. ун-т. - Сочи: РосИнновации, 2014. - Секц. 1: Здания и сооружения курортных и спортивных комплексов. Повышение их сейсмической устойчивости. - С. 55-60

5. Бузало H.A. Экспериментальное исследование силового сопротивления шарнирного узла для пространственных стержневых конструкций. / С.А. Алексеев, И.А. Петров, Н.Г. Царитова // Оптимизация и ресурсосбережение строительных конструкций зданий и сооружений, водохозяйственных систем и инженерная экология: материалы международной научно-практической конференции, посвященной памяти профессора, доктора технических наук, крупного специалиста в области проетирования и строительства уникальных сооружений Игоря Святославовича Дурова (1914-1994) ЛОж.-Рос. гос. политехи. Ун-т (НПИ) им. М.И.Платова. - Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ), 2014. - С. 5-6

6. Бузало H.A. Экспериментальное исследование шарнирного узла стальных пространственных стержневых конструкций/ Н. А. Бузало, С.А. Алексеев, Петров И.А., Царитова Н.Г. // Строительство и архитектура. — 2015г. - в печати

7. Бузало H.A. Компьютерное моделирование шарнирного узла пространственной стержневой конструкции/ Алексеев С.А., Царитова Н.Г. // Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений: тез. Докл. V Междунар. симп., Иркутск, 1-6 июля 2014г./Иркутский гос. техн. Ун-т. -Иркутск: Изд-во Иркутского гос. техн. ун-та, 2014. - С. 59-60

8. Бузало H.A. Шарнирный узел пространственной стержневой конструкции на основе бионического аналога / Тумасов A.A., Царитова Н.Г. //Евразийский Союз Ученых (ЕСУ). - Москва, 2014. - №6, ч. 5: Современные концепции научных исследований: Междунар. науч.-практ. конф., Москва, 26-27 сент., 2014г. - С. 157160

9. Бузало H.A., С.А. Алексеев, Н.Г. Царитова. Применение программных комплексов для компьютерного моделирования узлов пространственных стержневых конструкций // «Строительство-2014»: Современные проблемы промышленного и гражданского строительства: материалы Международной научно-практической конференции. - Ростов н/Д: Рост. гос. строит, ун-т, 2014. -С. 213-214

Подписано в печать 20.03.15. Печать цифровая. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Формат 60x84/16. Объем 1.0 уч.-изд.-л. Заказ № 3861. Тираж 120 экз. Отпечатано в КМЦ «КОПИЦЕНТР» 344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Суворова, 19, тел. 247-34-88