Моделирование работы подкрепленных оползневых склонов методом конечных элементов
Недостатки современных методов моделирования работы подкрепленных оползневых склонов. Итоговый расчет в разработанном программном комплексе "Полюс-W". Сечение расчетной модели и распределение материалов. Распределение локальных зон предельных деформаций.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 29.07.2017 |
| Размер файла | 155,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Моделирование работы подкрепленных оползневых склонов методом конечных элементов
В.С. Тюрина, Ю.Ш. Чубка, Л.Н. Панасюк
Академия строительства
и архитектуры ФГБОУ ВПО
"Донской государственный
технический университет"
Ростов-на-Дону
Аннотация
В статье рассмотрены основные недостатки современных методов моделирования работы подкрепленных оползневых склонов, представлены предлагаемый в наших исследованиях подход и результаты расчета, выполненного в разработанном программном комплексе "Полюс-W"
Ключевые слова: подкрепленный оползневой склон, предельное состояние, метод конечных элементов, шаговый метод, континуальная система, расчет.
В настоящее время основная задача строительной механики в широком смысле формулируется так: "…расчет конструкций должен дать исчерпывающее представление об их работе на всех этапах нагружения (включая и этап разрушения)" [1].
Одной из важных и интересных задач строительной механики является моделирование работы подкрепленных оползневых склонов [2 - 6]. В полном объеме эта задача еще не имеет решения. Например, к недостаткам современных методов можно отнести:
а) необходимость априори задавать ряд параметров и характеристик, которые по своей сути должны являться результатами реализации модели, а не входными данными. Так, например, априори задается форма площадок скольжения в оползневом склоне;
б) в нормативных моделях не учитывается подкрепляющее влияние защитных сооружений (подпорные стенки, шпунтовые ряда) и их деформативность на распределение полей напряжений и деформаций в оползневом массиве;
в) расчет защитных сооружений выполняется за счет передачи давления со стороны склона на конструкции подпорных стен. При этом распределение давления на стенку определяется отдельно, без учета совместной работы склона и конструкций усиления;
г) в нормативных методиках не учитывается этапность выполнения работ по возведению защитных сооружений и земляных работ,
д) В нормативных методах определяется интегральная величина давления со стороны оползневого склона на защитные сооружения. При этом не учитывается сложная в плане и по длине конструктивная схема подпорной стены. Например, не учитывается многорядность свайного ростверка и характер передачи давления на сваи в разных рядах. Это может привести либо к чрезмерно завышенным, либо наоборот, существенно заниженным изгибающим моментам в сваях. Соответственно, как следствие, к неверным конструктивным решениям.
Предлагаемый в наших исследованиях подход базируется на гипотезе предельных состояний элементарных массивов грунта.
Составной конгломерат, представляющий из себя фрагменты грунта с разными свойствами, железобетонные конструкции подпорной стены и ростверка моделируются методом конечных элементов. Это позволяет учесть геометрию расчетной модели любой степени сложности, включая фактическую форму конструкций усиления и слоев грунта.
Метод учитывает нелинейную работу грунта по гипотезе предельных состояний [7].
Шаговый итерационный процесс позволяет моделировать как этапное изменение внешней нагрузки, так и постепенное вовлечение в предельное состояние новых и новых фрагментов грунтового массива.
Дополнительно учитываются инерционные свойства системы и фактор времени. Т.е., в отличие от статического подхода в нормативных методах здесь учитывается динамическая постановка более общая, чем статическая. Это позволяет учесть изменение скорости грунта в оползневом склоне, т.е. формировать более приближенную к реальной ситуации модель.
Предлагается вариант метода продолжения по параметру нагружения определения предельного состояния [8, 9] в объемной задаче с материалом Губера-Мизеса.
Пусть объемная деформация является линейно упругой, на сдвиг материал работает упруго-пластично. В рамках данных гипотез секущая и касательная матрицы и линеаризованные физические зависимости представлены в виде (1):
(1)
где - среднее нормальное напряжение и деформация; - интенсивность напряжений и деформаций; - объемный модуль упругости; - секущий модуль сдвига.
Зависимости для модулей деформации имеют вид (2):
(2)
Дискретизацию задачи выполняем методом конечных элементов. На шаге по нагрузке выполняется линеаризация. Окончательно уравнения МКЭ имеют вид (3). программный сечение деформация оползневой
Представлены два варианта шагового метода. Во втором выполняются внутренние итерации для уточнения решения на шаге по нагрузке.
, (3)
В simplex-элементах (треугольники, тетраэдры и т.п) предельное состояние возникает последовательно, по элементам. Для сплошных элементов матрица жесткости формируется численным интегрированием [10]. Зоны предельного состояния последовательно возникают в узлах интегрирования по пространственной области.
Используется следующий алгоритм определения нагрузки предельного состояния. На первом этапе решается линейно-упругая задача. При этом задается "единичное" воздействие
. .
После получения узловых перемещений вычисляются деформации и напряжения во всех узлах системы:
,
.
Предельную нагрузку находим отдельно для всех узлов области, используется соотношение предельного состояния:
,
Откуда
.
В качестве истинного принимается наименьший
,
где e - общее количество расчетных узлов. На втором этапе, при формировании матрицы жесткости каждого элемента, учитывается распространение зоны предельного состояния
.
Далее находятся приращения параметров напряженно-деформированного состояния при единичной нагрузке (4)
, (4)
Т.к. приращения нелинейные, функции для аргумента , то в расчетных узлах определение приращения выполняется численным решением нелинейного уравнения (5) . Затем из множества значений выбирается минимальное - (5):
, (5)
В конце второго этапа вычисляются приращения и сами компоненты НДС (6)
, (6)
Алгоритм последующих этапов совпадает со вторым (4 - 6) при формальной замене индекса "1" на "m" и индекса "2" на "m+1". Расчет производится до тех пор, пока на определенном этапе система не превращается в механизм. Признаком этого будет вырожденная матрица жесткости на следующем этапе.
Часто нет смысла определять нагрузку, при которой система превращается в механизм. Процесс можно остановить при достижении перемещениями некоторого предельного значения.
Для примера рассмотрим расчет в разработанном программном комплексе "Полюс-W".
Расчетная конечно-элементная модель и распределение материалов грунта и конструкций усиления показана на рис.1.
Рассмотрен фрагмент грунтового массива на достаточном удалении от конструкций усиления.
Рис. 1. - Сечение расчетной модели и распределение материалов в сечении
Рис.2. - Деформации модели
На рис. 2. показаны деформации модели. Отметим, что максимальная деформация достаточно близка к полученной по нормативной методике (разница 8.7%). Это объясняется тем, что на величину максимальных деформаций распределение давления грунта на сваи сказывается слабо. В основном влияет общая величина давления.
Рис.3. - Распределение локальных зон предельных деформаций
Литература
1. Лукаш П.А. Основы нелинейной строительной механики. - М.: Стройиздат, 1978. - 208 с.
2. Оползни и борьба с ними. Под ред. Пантелеева И.Я. //Тр. Северо-Кавказского научно-практического семинара по изучению оползней и опыта борьбы с ними. - Ставрополь. Книжное издательство, 1964. -320 с.
3. Инструкция по проектированию и строительству противооползневых защитных сооружений: СН 519-79 Госгражданстрой Госстроя СССР. - М.: Стройиздат, 1981. - 24 с.
4. Lee W. Abramson, Thomas S. Lee Sunil Sharma, Glenn M. Boyce Slope stability and stabilization methods. Second Edition. New York: Wiley Pages, 2002. 736 p.
5. Mah Chris, Duncan C. Wyllie Rock Slope Engineering. Fourth Edition. Gardners Books, 2004, pp. 138-140.
6. А.Ю. Прокопов, В.Ф. Акопян, К.Н. Гаптлисламова. Изучение напряженно-деформированного состояния грунтового массива и взаимного влияния подземных конструкций существующих и вновь возводимых сооружений в береговой зоне морского порта Тамань// Инженерный вестник Дона, 2013, №4 URL:.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2104.
7. Ржаницын А.Р. Расчет сооружений с учетом пластических свойств материала. - М.: Госстройиздат. 1954, - 129 с.
8. Васильков Г.В. Об одном общем методе решения нелинейных задач строительной механики //Известия СКНЦ ВШ, естественные науки, 1985. -N2. C. 24-29.
9. Васильков Г.В., Панасюк Л.Н., Фахми Загер. О методе предельного равновесия. - Ростов н/Д.: РИСИ, Деп. в ВИНИТИ 07.06.92, N 1838-B92.- 1992, 21 c.
10. Е.В. Зотова, Л.Н. Панасюк. Численное моделирование динамических систем с большим числом степеней свободы на импульсные воздействия // Инженерный вестник Дона, 2012, №3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2012/933.
References
1. Lukash P.A. Osnovy nelinejnoj stroitel'noj mehaniki. M.: Strojizdat, 1978. 208 p. [The foundations of nonlinear structural mechanics].
2. Opolzni i bor'ba s nimi. Pod red. Panteleeva I.Ja. Tr. Severo-Kavkazskogo nauchno-prakticheskogo seminara po izucheniju opolznej i opyta bor'by s nimi. Stavropol'. Knizhnoe izdatel'stvo, 1964. 320p. [Landslides and their control].
3. Instrukcija po proektirovaniju i stroitel'stvu protivoopolznevyh zashhitnyh sooruzhenij: SN 519-79 Gosgrazhdanstroj Gosstroja SSSR. M.: Strojizdat, 1981. 24p. [Manual for the design and construction of landslide protection structures].
4. Lee W. Abramson, Thomas S. Lee Sunil Sharma, Glenn M. Boyce Slope stability and stabilization methods. Second Edition. New York: Wiley Pages, 2002. 736 p.
5. Mah Chris, Duncan C. Wyllie Rock Slope Engineering. Fourth Edition. Gardners Books, 2004, pp. 138-140.
6. A.Ju. Prokopov, V.F. Akopjan, K.N. Gaptlislamova. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2104.
7. Rzhanicyn A.R. Raschet sooruzhenij s uchetom plasticheskih svojstv materiala. M.: Gosstrojizdat. 1954, 129 p. [Calculation of structures with consideration of plastic properties of the material].
8. Vasil'kov G.V. Ob odnom obshhem metode reshenija nelinejnyh zadach stroitel'noj mehaniki. Izvestija SKNC VSh, estestvennye nauki, 1985. N2. pp. 24-29. [One common method of solving nonlinear problems of structural mechanics].
9. Vasil'kov G.V., Panasjuk L.N., Fahmi Zager. O metode predel'nogo ravnovesija. Rostov n/D.: RISI, Dep. v VINITI 07.06.92, N 1838-B92. 1992, 21 p. [About the method of limit equilibrium].
10. E.V. Zotova, L.N. Panasjuk. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2012/933.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Понятие о методе конечных элементов, его вариационные основы. Вычисление приращения функции, принцип Лагранжа. Аппроксимация конечно-элементной модели сооружения. Матрица жесткости, ее необходимые величины. Интегрирование по объему, расчет длины.
презентация [133,2 K], добавлен 24.05.2014Перенос нагрузки в узлы. Переход к общей системе координат. Поворот координатных осей с помощью матрицы преобразования координат. Объединение конечных элементов. Суммирование рассылаемого блока с имеющимся блоком в матрице методом сложения жесткостей.
презентация [772,0 K], добавлен 24.05.2014Основные характеристики ротора компрессора К398-21-1Л. Определение собственных частот и форм колебаний. Модальный анализ блочным методом Ланцоша. Статический расчет рабочих колес. Возможности решения контактных задач в программном комплексе ANSYS.
курсовая работа [4,1 M], добавлен 20.06.2014Влияние порядка загрузки материалов, уровня засыпи и подвижных плит на распределение и газопроницаемость шихты по сечению модели колошника доменной печи. Оптимальное расположение фурменных очагов в горне. Составляющие столба материалов в доменной печи.
курсовая работа [436,1 K], добавлен 20.06.2010Обобщенная функциональная схема привода, ее структура. Энергетический расчет. Расчет параметров передаточных функций элементов. Моделирование работы двигателя в различных режимах работы с учетом нелинейности при заданных технических требованиях.
контрольная работа [1,8 M], добавлен 12.03.2014Изучение теоретических основ и методов моделирования одежды для разных возрастных групп. Характеристика процесса моделирования одежды методом наколки. Принципы и правила перевода вытачек на ткань. Муляжный метод обработки формы. Наколка готовой выкройки.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 06.08.2013Разновидности, основные методы измерения и оценки показателей качества, задачи и методы квалиметрии. Качество выполнения показателей работы станции. Определение вероятностного процента приемлемых результатов работы и процента предельных отклонений.
контрольная работа [214,8 K], добавлен 18.12.2013Изучение свойств материалов, установления величины предельных напряжений. Условный предел текучести. Механические характеристики материалов. Испытание на растяжение, сжатие, кручение, изгиб хрупких материалов статической нагрузкой. Измерение деформаций.
реферат [480,5 K], добавлен 16.10.2008Понятие модели системы. Принцип системности моделирования. Основные этапы моделирования производственных систем. Аксиомы в теории модели. Особенности моделирования частей систем. Требования умения работать в системе. Процесс и структура системы.
презентация [1,6 M], добавлен 17.05.2017Определение размеров деталей или внешних нагрузок, при которых исключается возможность появления недопустимых с точки зрения нормальной работы конструкции деформаций. Напряжения в точках поперечного сечения при изгибе с кручением. Расчет на прочность.
курсовая работа [1017,9 K], добавлен 29.11.2013Автоматизация производства в машиностроении. Определение эффективности автоматизации. Проектирование компоновки на робототехнологическом комплексе (РТК). Моделирование работы РТК. Оборудование, стандартные принадлежности. Управляющая программа для станка.
курсовая работа [915,3 K], добавлен 12.11.2014Исследование процесса проектирования подсистемы моделирования работы гибкой производственной ячейки и графического представления результатов на экране. Анализ формирования параметров оборудования, путем сопоставления с необходимым коэффициентом загрузки.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 09.04.2012Описание работы центробежного насоса. Расчет элемента конструкции ротора. Инженерный анализ вала методом конечных элементов. Разработка каталога разнесенной сборки. Описание и назначение конструкции. Разработка технологического изготовления деталей.
дипломная работа [4,1 M], добавлен 09.11.2016Описание детали-представителя "шток" и маршрут её обработки. Анализ конструкции устройств и механизмов станка. Особенности кинематической схемы и цепей станка. Расчет особо нагруженного зубчатого зацепления. Расчет детали методом конечных элементов.
дипломная работа [2,3 M], добавлен 30.04.2015Расчет предельных размеров элементов гладкого цилиндрического соединения и калибров. Выбор посадки подшипника качения на вал и в корпус. Определение допусков и предельных размеров шпоночного соединения. Расчет сборочных размерных цепей и их звеньев.
курсовая работа [88,2 K], добавлен 20.12.2012Кинематические параметры и схема кривошипной машины. Определение параметров пресса. Проектирование и расчет главного вала традиционным методом и методом конечных элементов. Анализ статических узловых напряжений. Расчет конструктивных параметров маховика.
курсовая работа [673,5 K], добавлен 17.03.2016Построение двумерной расчетной геометрической модели отливки и литейной формы, генерация конечноэлементной сетки. Моделирование температурно-фазовых полей в отливке и температурных полей в литейной форме. Расчет микро- и макропористости в отливке.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 15.06.2015Прочность как способность материала сопротивляться разрушающему воздействию внешних сил. Рассмотрение особенностей выбора материалов и режимов термообработки от условий работы деталей машин и элементов конструкций. Анализ режимов термической обработки.
реферат [482,2 K], добавлен 20.03.2014Описание работы шлифовальной головки, расчёт и проектирование привода. Предварительный выбор подшипников и корпусов узлов приводного вала. Имитационное моделирование, метод конечных элементов. Создание трехмерных моделей деталей в системе "Компас".
дипломная работа [1,5 M], добавлен 09.11.2016Анализ и моделирование заданной переходной кривой выходной величины теплообменника. Экспресс-идентификация математической модели, методом Алекперова. Моделирование линейной одноконтурной системы управления заданным тепловым объектом и пневмоприводом.
курсовая работа [2,1 M], добавлен 11.06.2019
