Метод фиктивных дискретных моделей в расчетах тел с неоднородной регулярной структурой

Бесплатный доступ

В расчетах на прочность упругих композитных конструкций (пластины, балки, оболочки), которые широко применяются в авиационной и ракетно-космической технике, с помощью метода конечных элементов (МКЭ) важно знать погрешность решения. Для анализа погрешности решения необходимо использовать последовательность приближенных решений, построенных по МКЭ с применением процедуры измельчения для базовых дискретных моделей (БМ), которые учитывают в рамках микроподхода неоднородную, микронеоднородную структуру конструкций (тел). Дискретные модели, полученные путем измельчения БМ, имеют высокую размерность, что затрудняет для них применение МКЭ. Кроме того, существуют БМ композитных тел (КТ), например, БМ тел с микронеоднородной структурой, которые имеют такую высокую размерность, что реализация МКЭ для таких БМ, в силу ограниченности ресурсов ЭВМ, практически невозможна. Для решения данных проблем здесь предлагается в расчетах КТ по МКЭ использовать фиктивные дискретные модели. В данной работе предлагается метод фиктивных дискретных моделей (МФДМ) для расчета на прочность упругих тел с неоднородной, микронеоднородной регулярной структурой. МФДМ реализуется с помощью МКЭ с применением скорректированных условий прочности, которые учитывают погрешность приближенных решений. В основе метода лежит следующее положение. Считаем, что БМ КТ порождают решения, которые мало отличаются от точных. В силу сходимости МКЭ такие БМ для КТ всегда существуют. Расчет КТ по МФДМ сводится к построению и расчету на прочность фиктивных дискретных моделей (ФМ), размерности которых меньше размерности БМ. ФМ отражают: форму, характерные размеры, крепление, нагружение и вид неоднородной структуры КТ и распределение модулей упругости, отвечающее БМ КТ. Последовательность, состоящая из ФМ, сходится к БМ, т. е. предельная ФМ совпадает с БМ. Сходимость такой последовательности обеспечивает равномерную сходимость напряжений ФМ к соответствующим напряжениям БМ. Реализация МКЭ для ФМ с применением многосеточных конечных элементов приводит к большой экономии ресурсов ЭВМ, что позволяет использовать МФДМ для расчетов на прочность тел с микронеоднородной регулярной структурой. Расчет на прочность КТ по МФДМ требует в 103¸ 106 раз меньше объема памяти ЭВМ, чем аналогичный расчет с использованием БМ КТ, и не содержит процедуру измельчения БМ. Приведенный пример расчета на прочность балки с неоднородной регулярной волокнистой структурой по МФДМ показывает его высокую эффективность. Применение скорректированных условий прочности позволяет использовать в расчетах КТ на прочность приближенные решения с большой погрешностью, что приводит к повышению эффективности МФДМ.

Еще

Упругость, композиты, скорректированные условия прочности, фиктивные дискретные модели, многосеточные конечные элементы

Короткий адрес: https://sciup.org/148322026

IDR: 148322026   |   УДК: 539.3   |   DOI: 10.31772/2712-8970-2021-22-2-244-260

The method of fictitious discrete models in calculations bodies with an inhomogeneous regular structure

In calculations for the strength of elastic composite structures (plates, beams, shells), which are widely used in aviation and rocket and space technology, using the finite element method (FEM), it is important to know the error of the solution. To analyze the error of the solution, it is necessary to use a sequence of approximate solutions constructed according to the FEM using the grinding procedure for discrete basic models (BM), which take into account the inhomogeneous, micro-inhomogeneous structure of structures (bodies) within the micro-approach. Discrete models obtained by grinding BM have a high dimension, which makes it difficult for them to use FEM. In addition, there are BM of composite bodies (CB), for example, BM of bodies with a micro-inhomogeneous structure, which have such a high dimensionality that the implementation of FEM for such BM, due to the limited computer resources, is almost impossible. To solve these problems, it is proposed to use fictitious discrete models in the calculations of the CB according to the FEM. In this paper, we propose a method of fictitious discrete models (MFDM) for calculating the strength of elastic bodies with an inhomogeneous, micro-inhomogeneous regular structure. MFDM is implemented using FEM with the use of adjusted strength conditions that take into account the error of approximate solutions. The method is based on the following statement. We believe that BM CB generates solutions that differ little from the exact ones. Due to the convergence of the FEM, such BM for CB always exist. The calculation of CB according to MFDM is reduced to the construction and calculation of the strength of fictitious discrete models (FM), the dimension of which is less than the dimension of the BM. FM reflects: the shape, characteristic dimensions, attachment, loading, and appearance of the heterogeneous structure of the CB, and the distribution of elastic modulus corresponding to the BM of the CB. The sequence consisting of the FM converges to the BM, i.e. the limiting FM coincides with the BM. The convergence of such a sequence ensures uniform convergence of the FM stresses to the corresponding BM stresses. The implementation of FEM for FM with the use of multigrid finite elements leads to a large saving of computer resources, which allows the use of MFDM for strength calculations of bodies with a micro-inhomogeneous regular structure. The calculation of the strength of CB according to MFDM requires 103 ¸106 less computer memory than a similar calculation using BM CB, and does not contain a procedure for grinding BM. The given example of calculating the strength of a beam with an inhomogeneous regular fiber structure according to the MFDM shows its high efficiency. The use of adjusted strength conditions allows us to use approximate solutions with a large error in the calculations of CB for strength, which leads to an increase in the efficiency of MFDM.

Еще

Список литературы Метод фиктивных дискретных моделей в расчетах тел с неоднородной регулярной структурой

  • Писаренко Г. С., Яковлев А. П., Матвеев В. В. Справочник по сопротивлению материалов. Киев : Наук. думка, 1975. 704 с.
  • Биргер И. А., Шорр Б. Ф., Иосилевич Г. Б. Расчет на прочность деталей машин. М. : Машиностроение, 1993. 640 с.
  • Москвичев В. В. Основы конструкционной прочности технических систем и инженерных сооружений. Новосибирск : Наука, 2002. 106 с.
  • Матвеев А. Д. Расчет упругих конструкций с применением скорректированных условий прочности. // Известия АлтГУ. Математика и механика. 2017. № 4. С. 116-119. Doi: 10.14258/izvasu(2017)4-21.
  • Zienkiewicz O. C., Taylor R. L., Zhu J. Z. The finite element method: its basis and fundamentals. Oxford: Elsevier Butterworth-Heinemann, 2013. 715 p.
  • Голованов А. И., Тюленева О. И., Шигабутдинов А. Ф. Метод конечных элементов в статике и динамике тонкостенных конструкций. М. : Физматлит, 2006. 392 с.
  • Бате К., Вилсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов. М. : Строй-издат, 982. 448 с.
  • Образцов И. Ф., Савельев Л. М., Хазанов Х. С. Метод конечных элементов в задачах строительной механики летательных аппаратов. М. : Высшая школа, 1985. 392 с.
  • Секулович М. Метод конечных элементов. М. : Стройиздат, 1993. 664 с.
  • Норри Д., Ж. де Фриз. Введение в метод конечных элементов: М. : Мир, 1981. 304 с.
  • Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М. : Мир, 1975. 542 с.
  • Фудзии Т., Дзако М. Механика разрушения композиционных материалов. М. : Мир, 1982. 232 с.
  • Матвеев А. Д. Метод многосеточных конечных элементов в расчетах трехмерных однородных и композитных тел // Учен. зап. Казан. ун-та. Серия: Физ.-мат. науки. 2016. Т. 158, кн. 4. С. 530-543.
  • Матвеев А. Д. Метод многосеточных конечных элементов в расчетах композитных пла-тин и балок. // Вестник КрасГАУ. 2016. № 12. С. 93-100.
  • Matveev A. D. Multigrid finite element method in stress of three-dimensional elastic bodies of heterogeneous structure // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2016. Vol. 158, No. 1. Art. 012067. P. 1-9.
  • Матвеев А. Д. Метод многосеточных конечных элементов в расчетах композитных пластин и балок сложной формы. // Вестник КрасГАУ. 2017. № 11. С. 131-140.
  • Матвеев А. Д. Метод многосеточных конечных элементов. // Вестник КрасГАУ. 2018. № 2. С. 90-103.
  • Матвеев А. Д. Метод многосеточных конечных элементов в расчетах композитных оболочек вращения и двоякой кривизны // Вестник КрасГАУ. 2018. № 3. С. 126-137.
  • Матвеев А. Д. Метод многосеточных конечных элементов в решении физических краевых задач // Информационные технологии и математическое моделирование. Красноярск, 2017. С.27-60.
  • Работнов Ю. Н. Механика деформированного твердого тела. М. : Наука, 1988. 711 с.
  • Демидов С. П. Теория упругости. М. : Высшая школа, 1979. 432 с.
  • Тимошенко С. П., Дж. Гудьер. Теория упругости. М. : Наука, 1979. 560 с.
  • Безухов Н. И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. М. : Высшая школа, 1968. 512 с.
  • Матвеев А. Д. Некоторые подходы проектирования упругих многосеточных конечных элементов // Деп. в ВИНИТИ. 2000. № 2990-В00. 30 с.
  • Матвеев А. Д. Смешанные дискретные модели в анализе упругих трехмерных неоднородных тел сложной формы. // Вестник ПНИПУ. Механика. 2013. № 1. С. 182-195.
  • Матвеев А. Д. Многосеточное моделирование композитов нерегулярной структуры с малым коэффициентом наполнения. // Прикладная механика и техническая физика. 2004. № 3. С. 161-171.
  • Матвеев А. Д. Построение сложных многосеточных конечных элементов с неоднородной и микронеоднородной структурой // Известия АлтГУ. Серия: Математика и механика. 2014. № 1/1. С. 80-83. Doi: 10.14258/izvasu(2014)1.1-18.
  • Матвеев А. Д. Метод образующих конечных элементов // Вестник КрасГАУ. 2018. № 6. С.141-154.
  • Матвеев А. Д. Построение многосеточных конечных элементов для расчета оболочек, пластин и балок на основе образующих конечных элементов // Вестник ПНИПУ. Механика. 2019. № 3. С. 48-57. Doi: 10/15593/perm.mech/2019.3.05.
  • Голушко С. К., Немировский Ю. В. Прямые и обратные задачи механики упругих композитных пластин и оболочек вращения. М. : Физматлит, 2008. 432 с.
  • Немировский Ю. В., Резников Б. С. Прочность элементов конструкций из композитных материалов. Новосибирск : Наука ; Сибирское отделение, 1984. 164 с.
  • Кравчук А. С., Майборода В. П., Уржумцев Ю. С. Механика полимерных и композиционных материалов. М. : Наука. 1985. 201 с.
  • Алфутов Н. А., Зиновьев А. А., Попов Б. Г. Расчет многослойных пластин и оболочек из композиционных материалов. М. : Машиностроение, 1984. 264 с.
  • Победря Б. Е. Механика композиционных материалов. М. : МГУ, 1984. 336 с.
  • Андреев А. Н., Немировский Ю. В. Многослойные анизотропные оболочки и пластины. Изгиб, устойчивость, колебания. Новосибирск : Наука, 2001. 288 с.
  • Ванин Г. А. Микромеханика композиционных материалов. Киев : Наукова думка, 1985. 302 с.
  • Васильев В. В. Механика конструкций из композиционных материалов. М. : Машиностроение, 1988. 269 с.
  • Механика композитных материалов и элементов конструкций. Т. 3. Прикладные исследования / А. Н. Гузь, И. В. Игнатов, А. Г. Гирченко и др. Киев : Наукова думка, 1983. 262 с.
  • Самуль В. И. Основы теории упругости и пластичности. М. : Высшая школа, 1982. 264 с.
Еще