Изучение Ansys Workbench 17.2

Содержание

 

Введение. 2

1 Анализ литературы [7.3, 7.4, 7.5] 3

2 Анализ литературы [7.2, 7.6, 7,7] 5

3 Изучение Ansys Workbench 17.2. 11

4 Моделирование температурно-влажностных воздействий на железобетонные конструкции. 14

5 Программное обеспечение расчета оснований фундаментов на многолетнемерзлых грунтах – PilePermafrost 17

6 Публикации и участия в научно-практических конференциях. 17

7 Библиографический список диссертационного исследования. 19

Заключение. 23

Список использованной литературы.. 24

Приложение 1. 25

 

 

Введение

 

В данном отчете прилагается результаты проделанной научно-исследовательской работы с 16 марта по 2 июля 2017 года. Были кратко описаны результаты ознакомления с научными проблемами выбранной темы исследования, сбор материала и составление библиографического списка по теме научного исследования.

Во время научно-исследовательской работы было поставлено цель освоения следующих компетенций, которые должны освоиться за 2 семестр обучения:

ПК-10. Способность и готовность ориентироваться в постановке задачи, применять знания о современных методах исследования, анализировать, синтезировать и критически резюмировать информацию

ПК-20 Способность разрабатывать задания на проектирование, технические условия, стандарты предприятий, инструкции и методические указания по использованию средств, технологий и оборудования

 

 

 

1 Анализ литературы [7.3, 7.4, 7.5]

 

В настоящее время выдвинуто немало гипотез, объясняющие физические закономерности температурно-влажностных воздействий, накоплен большой экспериментальный материал, введены нормативные требования по проектированию железобетонных конструкций [7.11], эксплуатируемых в условиях низкотемпературных воздействий. Однако, при обследованиях фундаментных конструкций, проведенных в условиях крайнего севера, до сих пор обнаруживаются значительное количество повреждений. Кроме того, некоторые дефекты появляются после непродолжительного периода эксплуатации [7.9].

Причины аварий гражданских зданий и сооружений в Якутии главным образом связаны с разрушением бетона свайных фундаментных конструкций. Разрушение связано с трещинообразованием фундаментных конструкций из-за недостаточного учета температурно-влажностных воздействий.

Температура и влажность строительных конструкций находятся в определенной зависимости от температуры и влажности окружающей среды. Влияние этих факторов на долговечность материала выражается в появлении внутренних напряжений, обусловленных переходом воды, содержащейся в материале, в лед, различием в величинах коэффициента температурного или влажностного расширения отдельных компонентов материала, неравномерностью температурного поля или поля влажности по объему тела [7.3].

По исследованиям В.И. Мухи [7.3, 7.4, 7.5] можно прийти к заключению:

1. основной причиной возникновения трещин в элементах строительных конструкций является температура и влажность материала. Эти факторы, в конечном итоге, практически независимо от технологии возведения и эксплуатации здания, приводят конструкции к разрушению.

2. Наличие свободной влаги в бетоне после его охлаждения способствует упрочнению структуры за счет появления сил смерзания льда с поверхностью цементного камня, что приводит к увеличению его прочности тем большей, чем выше его влажность, но увеличение влажности выше «предельного водонасыщения» вызовет разрушение бетона, а не рост его прочности.

3. С понижением температуры возникает опасность хрупкого разрушения железобетонных конструкций, хладноломкость повышается так и у бетона, так и у стали.

3. физико-механические свойства бетона зависят от температуры первого охлаждения, числа циклов попеременного замораживания и оттаивания, водонасыщения бетона и его марки по морозостойкости.

4. Деформации укорочения сухого бетона с понижением температуры возрастают. В водонасыщенном бетоне они уменьшаются при охлаждении до –10°С и потом заметно возрастают при –45°С, при дальнейшем снижении температуры снова уменьшаются.

5. При попеременном замораживании до температуры –60°С и оттаивании прочность на сжатие и модуль упругости снижаются и появляются остаточные деформации бетона, которые с увеличением числа циклов замораживания и оттаивания и степени водонасьпцения бетона заметна возрастают.

2 Анализ литературы [7.2, 7.6, 7,7]

 

 

Исследования [7.7] показали, что физико-механические свойства бетона зависят от температуры первого охлаждения, числа циклов попеременного замораживания и оттаивания, водонасыщения бетона и его марки по морозостойкости. Степень водонасыщения бетона оказывает наиболее существенное влияние на свойства бетона при замораживании, поэтому ее рекомендуется учитывать в зависимости от режимов воздействия воды и низких температур, которые установлены в СП 63.13330.2012.

Рис. 1 Влияние первого охлаждения на относительную прочность при сжатии и модуль упругости бетона с разными марками по морозостойкости:

1 – 50; 2 – 100; 3 – 250; 4 – 300; 5 – 350; 6 – 500; −−−− опытные по работе [1]; − − − − расчетные по формулам (1) [7.2]

 

При первом охлаждении до температуры —190°С прочность на сжатие и модуль упругости возрастают в 1,4—2 раза (рис. 1). Прочность бетона на растяжение при охлаждении увеличивается в 1,2—1,5 раза больше, чем прочность бетона на сжатие. Деформации укорочения сухого бетона с понижением температуры возрастают. В водонасыщенном бетоне они уменьшаются при охлаждении до –10°С и потом заметно возрастают при –45°С, при дальнейшем снижении температуры снова уменьшаются. При попеременном замораживании до температуры –60°С и оттаивании прочность на сжатие и модуль упругости снижаются (рис. 2) и появляются остаточные деформации бетона, которые с увеличением числа циклов замораживания и оттаивания и степени водонасьпцения бетона заметна возрастают [7.2].

Рис. 2 Влияние попеременного замораживания до температуры -60°С и оттаивания на относительную прочность при сжатии бетона с разными марками морозостойкости (обозначения см. по рис. 6.1)

 

Влияние охлаждения на свойства бетона и работу железобетонной конструкции можно разделить на две основные расчетные стадии [7.11]:

- первое замораживание до минимальной температуры;

- длительное попеременное замораживание и оттаивание.

Статически определимые конструкции рассчитывают только для второй стадии. Уменьшение прочности и жесткости элементов определяется при длительном действии нагрузки с учетом снижения прочностных и упругопластических свойств бетона от попеременного замораживания и оттаивания. В статически неопределимых конструкциях при первом замораживании возникают наибольшие усилия от воздействия низких температур. Усилия в элементах и их жесткости определяются от совместного действия охлаждения, нагрузки и собственной массы с учетом повышения прочностных и упругопластических свойств бетона и арматуры в условиях низкой температуры.

Рис. 3 Влияние низкой температуры на относительную прочность, модуль упругости и коэффициент температурного расширения арматурной стали

1 – Ст3; 2 – Сталь 10; 3 – Сталь 20; 4 – 35ГС; ––––– опытные; – – – – расчетные

 

При попеременном замораживании и оттаивании происходит снижение прочности и жесткости элементов и уменьшение усилий от охлаждения. Усилия в элементах и их жесткости находят только при длительном действии нагрузки с учетом снижения прочностных и упругопластических свойств бетона от попеременного замораживания и оттаивания.

При расчете железобетонных конструкций, предназначенных для работы в условиях низких температур, расчетные сопротивления R_пр и R_прII, дополнительно умножают на коэффициенты условий работы бетона при сжатии т _б.м или т _б.з, а расчетные сопротивления R_пр и R_прII соответственно на коэффициенты условий работы бетона при растяжении т _р.м или т _р.з. Для температур до –60°С:

где α_м, α_з – коэффициенты, зависящие от режима воздействия воды и низкой температуры на конструкцию и проектной марки бетона по морозостойкости (Рис.6.4. табл. 1);

t _б – абсолютная величина расчетной зимней температуры конструкции;

При охлаждении начальный модуль упругости умножают на коэффициент β_б.м, учитывающий увеличение модуля упругости бетона при первом замораживании, или на коэффициент β_б.з, учитывающий его снижение при попеременном замораживании и оттаивании. Для температур до –60°С:

где b_м, b_з – коэффициенты, зависящие от режима воздействия воды и низкой температуры на конструкции и пролетной марки бетона по морозостойкости (см. рис. 6.4. табл. 1).

Рис. 4 Таблица 1 и 2 [7.10]

 

При температурах ниже –60°С коэффициенты m _{б. t} и β_б.м принимаются равными а _м и b _м по рис. 6.4 табл. 1. Коэффициент линейной температурной деформации бетона нормального твердения α_{б t} в зависимости от режима работы конструкции и марки бетона по морозостойкости находят по рис. 6.4 табл. 2.

Деформации ε_t оси элемента при охлаждении бетона определяют до температуры –45°С по формуле:

а ниже –45°С из выражения:

где t₀^T и t^x – начальная и минимальная температуры бетона;

α_{б t 1}, α_{б t 2}, α_{б t 3}, - коэффициенты линейной температурной деформации бетона соответственно для температур выше –10°С, от –10° до –45°С и ниже –45°С (см. рис. 6.4 табл. 2).

Ввиду отсутствия опытных данных изменения упругопластических свойств бетона при охлаждении коэффициент упругости бетона v принимают таким же, как для нормальных температур.

Физико-механические свойства арматурных сталей в основном зависят от величины низкой температуры (рис. 6.3), поэтому расчетные сопротивления арматуры марок Ст3 и 35ГС R _а и R _aII дополнительно умножают на коэффициент условий работы m _ам, который для температуры арматуры от –60 до –130°С находят по формуле:

а ниже –130°С – из выражения:

Модуль упругости арматуры E _a при охлаждении умножают на коэффициент β_а, который для температур ниже –60°С определяют по формуле:

Для стали марок Ст3 и 35ГС k = 0,00025.

Коэффициент температурной деформации сталей уменьшается с понижением температуры (см. рис. 6.3), поэтому для стали марки Ст3 при охлаждении до температуры арматуры t _a его рекомендуется подсчитать по формуле

Приведенные значения коэффициентов условий работы, а также коэффициентов, учитывающих изменение модуля упругости и температурных деформаций бетона и арматуры, были использованы при расчете прочности, деформаций и момента появления трещин в изгибаемых железобетонных элементах при охлаждении до –70 и –145°С.

Заключение

 

В заключении хотел бы добавить планы дальнейшего исследования:

Дальнейшее обучение программы Ansys, в том числе моделирование образование трещин по модели Базанта, потери местной устойчивости;

Доработка программы PilePermafrost с добавлением расчета железобетонных конструкций на температурно-влажностные воздействия;

Проведение натурных исследований фундаментных конструкций с моделированием их в Ansys;

Провести натурное исследование состояния фундаментных конструкций;

Рассчитать на температурно-влажностные воздействия по СП 52-105 фундаментные конструкции КТФ;

Опубликовать статью про недостатки СП 52-105.

 

В ходе выполнения научно-исследовательской работы освоил следующие компетенции:

ПК-10. Способность и готовность ориентироваться в постановке задачи, применять знания о современных методах исследования, анализировать, синтезировать и критически резюмировать информацию

ПК-20 Способность разрабатывать задания на проектирование, технические условия, стандарты предприятий, инструкции и методические указания по использованию средств, технологий и оборудования

 

 

Список использованной литературы

 

1. Ли Р.И. Основы научных исследований, Липецк: ЛГТУ, ЭБС АСВ, 2013. – 190 c;

2. Программа производственной практики Б2. Н.2 Научно-исследовательская работа – Якутск: 2016 – 16 с.

3. Расчёт на температурно-влажностные воздействия, температурно-усадочные швы [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://forum.dwg.ru/showthread.php?t=57180. – (Дата обращения 30.06.2017)

 

Приложение 1

 

Содержание

 

Введение. 2

1 Анализ литературы [7.3, 7.4, 7.5] 3

2 Анализ литературы [7.2, 7.6, 7,7] 5

3 Изучение Ansys Workbench 17.2. 11

4 Моделирование температурно-влажностных воздействий на железобетонные конструкции. 14

5 Программное обеспечение расчета оснований фундаментов на многолетнемерзлых грунтах – PilePermafrost 17

6 Публикации и участия в научно-практических конференциях. 17

7 Библиографический список диссертационного исследования. 19

Заключение. 23

Список использованной литературы.. 24

Приложение 1. 25

 

 

Введение

 

В данном отчете прилагается результаты проделанной научно-исследовательской работы с 16 марта по 2 июля 2017 года. Были кратко описаны результаты ознакомления с научными проблемами выбранной темы исследования, сбор материала и составление библиографического списка по теме научного исследования.

Во время научно-исследовательской работы было поставлено цель освоения следующих компетенций, которые должны освоиться за 2 семестр обучения:

ПК-10. Способность и готовность ориентироваться в постановке задачи, применять знания о современных методах исследования, анализировать, синтезировать и критически резюмировать информацию

ПК-20 Способность разрабатывать задания на проектирование, технические условия, стандарты предприятий, инструкции и методические указания по использованию средств, технологий и оборудования

 

 

 

1 Анализ литературы [7.3, 7.4, 7.5]

 

В настоящее время выдвинуто немало гипотез, объясняющие физические закономерности температурно-влажностных воздействий, накоплен большой экспериментальный материал, введены нормативные требования по проектированию железобетонных конструкций [7.11], эксплуатируемых в условиях низкотемпературных воздействий. Однако, при обследованиях фундаментных конструкций, проведенных в условиях крайнего севера, до сих пор обнаруживаются значительное количество повреждений. Кроме того, некоторые дефекты появляются после непродолжительного периода эксплуатации [7.9].

Причины аварий гражданских зданий и сооружений в Якутии главным образом связаны с разрушением бетона свайных фундаментных конструкций. Разрушение связано с трещинообразованием фундаментных конструкций из-за недостаточного учета температурно-влажностных воздействий.

Температура и влажность строительных конструкций находятся в определенной зависимости от температуры и влажности окружающей среды. Влияние этих факторов на долговечность материала выражается в появлении внутренних напряжений, обусловленных переходом воды, содержащейся в материале, в лед, различием в величинах коэффициента температурного или влажностного расширения отдельных компонентов материала, неравномерностью температурного поля или поля влажности по объему тела [7.3].

По исследованиям В.И. Мухи [7.3, 7.4, 7.5] можно прийти к заключению:

1. основной причиной возникновения трещин в элементах строительных конструкций является температура и влажность материала. Эти факторы, в конечном итоге, практически независимо от технологии возведения и эксплуатации здания, приводят конструкции к разрушению.

2. Наличие свободной влаги в бетоне после его охлаждения способствует упрочнению структуры за счет появления сил смерзания льда с поверхностью цементного камня, что приводит к увеличению его прочности тем большей, чем выше его влажность, но увеличение влажности выше «предельного водонасыщения» вызовет разрушение бетона, а не рост его прочности.

3. С понижением температуры возникает опасность хрупкого разрушения железобетонных конструкций, хладноломкость повышается так и у бетона, так и у стали.

3. физико-механические свойства бетона зависят от температуры первого охлаждения, числа циклов попеременного замораживания и оттаивания, водонасыщения бетона и его марки по морозостойкости.

4. Деформации укорочения сухого бетона с понижением температуры возрастают. В водонасыщенном бетоне они уменьшаются при охлаждении до –10°С и потом заметно возрастают при –45°С, при дальнейшем снижении температуры снова уменьшаются.

5. При попеременном замораживании до температуры –60°С и оттаивании прочность на сжатие и модуль упругости снижаются и появляются остаточные деформации бетона, которые с увеличением числа циклов замораживания и оттаивания и степени водонасьпцения бетона заметна возрастают.

2 Анализ литературы [7.2, 7.6, 7,7]

 

 

Исследования [7.7] показали, что физико-механические свойства бетона зависят от температуры первого охлаждения, числа циклов попеременного замораживания и оттаивания, водонасыщения бетона и его марки по морозостойкости. Степень водонасыщения бетона оказывает наиболее существенное влияние на свойства бетона при замораживании, поэтому ее рекомендуется учитывать в зависимости от режимов воздействия воды и низких температур, которые установлены в СП 63.13330.2012.

Рис. 1 Влияние первого охлаждения на относительную прочность при сжатии и модуль упругости бетона с разными марками по морозостойкости:

1 – 50; 2 – 100; 3 – 250; 4 – 300; 5 – 350; 6 – 500; −−−− опытные по работе [1]; − − − − расчетные по формулам (1) [7.2]

 

При первом охлаждении до температуры —190°С прочность на сжатие и модуль упругости возрастают в 1,4—2 раза (рис. 1). Прочность бетона на растяжение при охлаждении увеличивается в 1,2—1,5 раза больше, чем прочность бетона на сжатие. Деформации укорочения сухого бетона с понижением температуры возрастают. В водонасыщенном бетоне они уменьшаются при охлаждении до –10°С и потом заметно возрастают при –45°С, при дальнейшем снижении температуры снова уменьшаются. При попеременном замораживании до температуры –60°С и оттаивании прочность на сжатие и модуль упругости снижаются (рис. 2) и появляются остаточные деформации бетона, которые с увеличением числа циклов замораживания и оттаивания и степени водонасьпцения бетона заметна возрастают [7.2].

Рис. 2 Влияние попеременного замораживания до температуры -60°С и оттаивания на относительную прочность при сжатии бетона с разными марками морозостойкости (обозначения см. по рис. 6.1)

 

Влияние охлаждения на свойства бетона и работу железобетонной конструкции можно разделить на две основные расчетные стадии [7.11]:

- первое замораживание до минимальной температуры;

- длительное попеременное замораживание и оттаивание.

Статически определимые конструкции рассчитывают только для второй стадии. Уменьшение прочности и жесткости элементов определяется при длительном действии нагрузки с учетом снижения прочностных и упругопластических свойств бетона от попеременного замораживания и оттаивания. В статически неопределимых конструкциях при первом замораживании возникают наибольшие усилия от воздействия низких температур. Усилия в элементах и их жесткости определяются от совместного действия охлаждения, нагрузки и собственной массы с учетом повышения прочностных и упругопластических свойств бетона и арматуры в условиях низкой температуры.

Рис. 3 Влияние низкой температуры на относительную прочность, модуль упругости и коэффициент температурного расширения арматурной стали

1 – Ст3; 2 – Сталь 10; 3 – Сталь 20; 4 – 35ГС; ––––– опытные; – – – – расчетные

 

При попеременном замораживании и оттаивании происходит снижение прочности и жесткости элементов и уменьшение усилий от охлаждения. Усилия в элементах и их жесткости находят только при длительном действии нагрузки с учетом снижения прочностных и упругопластических свойств бетона от попеременного замораживания и оттаивания.

При расчете железобетонных конструкций, предназначенных для работы в условиях низких температур, расчетные сопротивления R_пр и R_прII, дополнительно умножают на коэффициенты условий работы бетона при сжатии т _б.м или т _б.з, а расчетные сопротивления R_пр и R_прII соответственно на коэффициенты условий работы бетона при растяжении т _р.м или т _р.з. Для температур до –60°С:

где α_м, α_з – коэффициенты, зависящие от режима воздействия воды и низкой температуры на конструкцию и проектной марки бетона по морозостойкости (Рис.6.4. табл. 1);

t _б – абсолютная величина расчетной зимней температуры конструкции;

При охлаждении начальный модуль упругости умножают на коэффициент β_б.м, учитывающий увеличение модуля упругости бетона при первом замораживании, или на коэффициент β_б.з, учитывающий его снижение при попеременном замораживании и оттаивании. Для температур до –60°С:

где b_м, b_з – коэффициенты, зависящие от режима воздействия воды и низкой температуры на конструкции и пролетной марки бетона по морозостойкости (см. рис. 6.4. табл. 1).

Рис. 4 Таблица 1 и 2 [7.10]

 

При температурах ниже –60°С коэффициенты m _{б. t} и β_б.м принимаются равными а _м и b _м по рис. 6.4 табл. 1. Коэффициент линейной температурной деформации бетона нормального твердения α_{б t} в зависимости от режима работы конструкции и марки бетона по морозостойкости находят по рис. 6.4 табл. 2.

Деформации ε_t оси элемента при охлаждении бетона определяют до температуры –45°С по формуле:

а ниже –45°С из выражения:

где t₀^T и t^x – начальная и минимальная температуры бетона;

α_{б t 1}, α_{б t 2}, α_{б t 3}, - коэффициенты линейной температурной деформации бетона соответственно для температур выше –10°С, от –10° до –45°С и ниже –45°С (см. рис. 6.4 табл. 2).

Ввиду отсутствия опытных данных изменения упругопластических свойств бетона при охлаждении коэффициент упругости бетона v принимают таким же, как для нормальных температур.

Физико-механические свойства арматурных сталей в основном зависят от величины низкой температуры (рис. 6.3), поэтому расчетные сопротивления арматуры марок Ст3 и 35ГС R _а и R _aII дополнительно умножают на коэффициент условий работы m _ам, который для температуры арматуры от –60 до –130°С находят по формуле:

а ниже –130°С – из выражения:

Модуль упругости арматуры E _a при охлаждении умножают на коэффициент β_а, который для температур ниже –60°С определяют по формуле:

Для стали марок Ст3 и 35ГС k = 0,00025.

Коэффициент температурной деформации сталей уменьшается с понижением температуры (см. рис. 6.3), поэтому для стали марки Ст3 при охлаждении до температуры арматуры t _a его рекомендуется подсчитать по формуле

Приведенные значения коэффициентов условий работы, а также коэффициентов, учитывающих изменение модуля упругости и температурных деформаций бетона и арматуры, были использованы при расчете прочности, деформаций и момента появления трещин в изгибаемых железобетонных элементах при охлаждении до –70 и –145°С.

Изучение Ansys Workbench 17.2

 

Компьютерное инженерное моделирование (CAE) играет все более важную роль в научных исследованиях и изучении инженерных дисциплин.

Для достоверного анализа температурно-влажностных воздействий нужно смоделировать нелинейные характеристики материалов, в том числе геометрическую и физическую нелинейность прочностных характеристик, изменение прочности и коэффициента температурных деформаций в зависимости от температуры, фазовые превращения влаги в лед, попеременное замораживание и оттаивание и т.д. Все это можно выполнить с помощью ПК Ansys.

Для изучения данной программы в Ansys Workbench 17.2 с помощью модулей Static Structural, Eigenvalue buckling и Explicit Dynamics были мною смоделированы следующие задачи:

1. Модель потери устойчивости прогон рамы из ЛСТК

Рис. 5 Вариант 1 потери устойчивости

Рис. 6 Вариант 2 потери устойчивости

2. Моделирование ударной нагрузки на ЖБ и бетонную балку

Рис. 7 Разрушение ЖБ балки

Рис. 8 Разрушение бетонной балки

 

3. Моделирование разрушения ЖБ балки по модели бетона как хрупкого материала Вильяма-Варнке

Рис. 9 Напряжения в балке в момент разрушения

Рис. 10 Характер и направление трещин

 

4. Модель возникновения предела текучести металлической консольной балки

Рис. 11 Напряжения в балке в момент достижения предела текучести

И другие