Оценка прочности каркаса юрты из композиционного материала с использованием CAD/CAE-систем

Для повышения эффективности и ускорения строительного производства особое место занимает стеклопластик, состоящий из полимерной термореактивной смолы и взаимно пересекающихся рядов непрерывных стекловолокон, что позволяет по своим прочностным и эксплуатационным характеристикам зачастую превосходить общепринятые строительные материалы. Однако, в виду достаточно высоких цен на изделия из композиционных материалов (КМ), необходимы достоверные прочностные расчеты для конкретных конструкций. Особенно это касается конструктивных тонкостенных элементов, используемых в каркасных конструкциях. Использование тонкостенных КМ для изготовления конкретных конструкций не может быть осуществлено без проведения прочностных расчетов, учитывающих специфику КМ.

В настоящее время для проведения прочностных расчетов наиболее часто используется численное моделирование, основанное на методе конечных элементов (МКЭ) [1], который мы и использовали в работе. Расчеты проводили для элементов конструкций из КМ - решетки стены традиционной монгольской юрты.

На рис. 1 представлена усовершенствованная конструкция монгольской юрты, содержащей прозрачный купол 1 и крышу 2. Традиционно каркас крыши 2 состоит из радиально расположенных деревянных шестов 3, лежащих одним концом на центральной стойке 4, другим - на решетчатой стене 5, установленной по кругу и собранной из пересекающихся деревянных реек 6, скрепленных поясами 7. При использовании деревянных реек (сосна) их концы при постоянном контакте с землей подвергаются быстрому гниению, особенно это проявляется при контакте с влажной землей. Замена материала сосны на лиственницу снижает процессы гниения, однако значительно утяжеляет саму конструкцию. Использование элементов конструкций из КМ позволяет снизить вес, повысить долговечность реек решетки (не подвергаются гниению) и упрощает процесс сборки и ремонта. Наряду с использованием КМ в элементах конструкции юрты, так же изменена конструкция ее крыши – в виде «зонтичного типа» - шесты подвижно соединены с центральной стойкой, что позволяет раскрывать и закрывать их, как зонт (рис. 1) [3]. Расчеты проводились для конструкции каркаса юрты из КМ, который содержит 64 рейки, 16 шестов и 16 подпорок для шестов.

6                 \

Рис. 1. Конструкция усовершенствованной юрты

Моделирование усовершенствованной юрты было проведено в системе автоматизированного проектирования SolidWorks и импортировано в систему ANSYS Mechanical. Данная программа снабжена средствами надежной подготовки импортируемой геометрической модели к нанесению сетки, в которой есть возможность менять геометрию с целью упрощения расчета [2]. При импортировании геометрии использован формат IGES, что дает возможность управлять значениями допусков на слияние объектов модели, выявлять возможные ошибки.

Для расчета конструкции полученная модель передана в конечноэлементный программный комплекс ANSYS Mechanical [1], по схеме рис. 2.

Рис. 2. Схема передачи построенной геометрической модели

Создание геометрической модели

__________t_____________________

Задание свойств материала

----------*---------------------

Выбор конечного элемента

t

Разбиение на сетку конечных элементов

t

Задание граничных условий

t

Выбор типа элемента

___________t_____________________

Статический расчет, расчет на устойчивость.

Расчет вынужденных колебаний t                 z

Анализ результатов

Рис. 3. Основные этапы расчета в ANSYS Mechanical

Таблица

А - конечно-элементная модель

Б - эквивалентные напряжения по

В - эквивалентные напряжения по Мизесу (Па)

Мизесу (Па)

Г - пластические деформации (м)

Д - напряжения по оси X(Па)

Рис. 4. Полученные результаты расчетов в ANSYS

Е - напряжения по оси Y(Па)

Жесткостные характеристики многослойного КМ

E x	E y	G xy	µ xy	µ yx
3.924∙1010Па	3.248∙1010Па	7.118∙109Па	0.248	0.205

Решетка стены юрты изготавливается из волокнистого КМ. В качестве наполнителя использована стеклоткань марки – Т-25 (ВМ) ТУ 6-11-380-76, пропитанная эпоксидным связующим марки 5-211Б. Жесткостные характеристики материала представлены в табл. Для расчета выбран участок решетки стены юрты (рис. 3А), принимающий внешнюю сжимающую нагрузку. Решетка состоит из отдельных планок из КМ длиной 2,3 м прямоугольного поперечного сечения размером b=4.8 мм, h=20 мм, жестко соединенных друг с другом болтовыми соединениями.

Расчетные значения нагрузок, действующих на каркас юрты, определены согласно СНиП 2.01.07-85 [4]. Предполагается, что каркас юрты покрыт войлоком, уложенным в два слоя, с пароизоляционной пленкой. Юрта расположена в VII снеговом районe [4], и на место контакта элемента крыши и решетки стены действует сила, равная F sum = 4000 N. Находится в открытой местности, значение ветрового давления w=0,043 т/м². С учетом этих нагрузок произведены расчеты в программных комплексах ANSYS 11 (рис. 4) Основные этапы расчета в ANSYS Mechanical 11 приведены на рис. 3.

Подставив полученные значения жесткостных характеристик в ANSYS и соответствующие нагрузки, получили численные данные (рис. 4).

Анализ численного эксперимента показал, что наибольшее напряжение возникает в верхней части участка юрты (рис. 4В) на месте воздействия нагрузки от шеста крыши юрты, при этом деформация составила x=0.06 мм. Полученные расчетные данные можно использовать при предварительном анализе конструкции и оптимизации, исходя из допускаемых напряжений слоев КМ.