3.3.2. Обчислювальний комплекс Structure cad

Обчислювальний комплекс Structure CAD (SCAD) реалізований як систе­ма міцнісного аналізу та проектування конструкцій на основі методу скін­ченних елементів і дозволяє визначити напружено-деформований стан конс­трукцій від статичних і динамічних впливів, а також виконати ряд функцій проектування елементів конструкцій.

Проект

В основу комплексу покладено систему функціональних модулів, пов'я­заних між собою єдиним інформаційним середовищем. Це середовище на­зивається проектом і містить повну інформацію про розрахункову схему, представлену у внутрішніх форматах комплексу. У процесі формування роз­рахункової схеми проект наповнюється інформацією і зберігається на диску у файлі (з розширенням SPR). Імена проекту та файла задаються при ство­ренні нової схеми.

Вхідні дані для виконання розрахунку можна готувати як за допомогою інтерактивних графічних засобів, так і шляхом їхнього описання у текстовому форматі. Вхідну інформацію можна представити у форматах спеціальної вхідної мови, так званого "текстового файла". Текстовий файл є зручним форматом для зберігання даних. Він добре піддається стисненню за допомогою відомих програм архівації та, в разі необхідності, може бути перетворений на форма­ти стандартного проекту комплексу SCAD. Другою привабливою рисою тек­стового формату є його сумісність із DOS-версією комплексу, що дає можли­вість використовувати його для виконання перевірних розрахунків раніше спроектованих об'єктів.

Слід зазначити, що в існуючій версії комплексу вся вхідна інформація, необхідна для виконання переважної більшості практичних розрахунків, може бути підготовлена у "графіці" і до текстового опису доводиться вдаватися лише при виконанні унікальних розрахунків.

Функціональні модулі

Функціональні модулі SCAD поділяються на чотири групи. До першої входять модулі, які забезпечують введення вхідних даних в інтерактив­ному графічному режимі (графічні препроцесори) та графічний аналіз резуль­татів розрахунку (графічний постпроцесор).

Модулі другої групи (процесори) служать для виконання статичного та динамічного розрахунків, обчислення розрахункових сполучень зусиль, ком­бінацій завантажень, головних та еквівалентних напружень, реакцій, наван­тажень від фрагмента схеми, а також аналізу стійкості, побудови спектрів відповіді та амплітудно-частотних характеристик вузлів.

Документування результатів розрахунку виконують модулі третьої гру­пи. До четвертої групи включаються модулі (проектувальні постпроцесори), які служать для підбору арматури в елементах залізобетонних конструк­цій, а також перевірки опору та підбору перерізів елементів сталевих кон­струкцій.

Усі функціональні модулі реалізовані в єдиному графічному середови­щі. Інтерфейс, сценарії взаємодії з користувачем, функції контролю вхід­них даних та аналізу результатів повністю уніфіковані, що забезпечує міні­мальний час опанування комплексу та логічну послідовність виконання операцій.

Структура комплексу та зв'язки між його компонентами показані на рис. 8.2.

Процесор та бібліотека скінченних елементів

Високопродуктивний процесор дозволяє розв'язувати задачі статики й динаміки з великою кількістю ступенів свободи (до 392000). Розрахунок су­проводжується детальним протоколом, який може бути проаналізований як під час виконання розрахунку, так і після його завершення. Система контро­лю вхідних даних виконує перевірку розрахункової схеми та фіксує всі вияв­лені помилки та попередження.

Бібліотека скінченних елементів містить різні види стрижневих елементів, включаючи шарнірно-стрижневі, рамні, балкового ростверка на пружній ос­нові, дозволяє враховувати зсув у перерізі стрижня. Пластинчасті елементи, представлені три- і чотиривузловими елементами плит, оболонок та балок-стінок, можуть містити додаткові вузли на ребрах та забезпечувати розв'язан­ня задач для матеріалів із різними властивостями (з урахуванням ортотропії, ізотропії та анізотропії). Крім того, бібліотека включає різні види об'ємних елементів, набір три- та чотиривузлових багатошарових та осесиметричних скінченних елементів, а також спеціальні елементи для моделювання в'язей скінченної жорсткості, пружних в'язей та інші.

Графічні засоби формування розрахункової схеми

У комплексі SCAD реалізовані два види графічних модулів створення розрахункових схем. До них належать традиційний для скінченноелементних систем графічний процесор, у якому основний „будівельний матеріал” становлять елементи, та препроцесор ФОРУМ для формування укрупнених моделей.

Рис. 8.2. Структура ПК SCAD

У традиційному препроцесорі передбачена широка гама засобів для створення моделей, які включають функції формування схем за параметричними прототипами конструкцій, генерування сіток елементів на площині та в просторі, копіювання фрагментів схем, складання з під- схем та груп, різноманітні фун­кції геометричних перетворень. У режимі графічного діалогу задаються всі основні параметри схем, включаючи жорсткісні характеристики елементів, умови спирання та прилягання, статичні та динамічні навантаження та ін. Графічний інтерфейс максимально наближений саме до технології створен­ня й модифікації розрахункових схем та враховує особливості обробки інформації цього виду.

До комплексу включено параметричні прототипи багатоповерхо-вих та од­ноповерхових рам, ферм із різними обрисами поясів та ґрат, балкові ростверки, а також поверхні обертання (циліндр, конус, сфера і тор). У процесі їхнього формування можна автоматично призначити умови спирання, типи та жорст­кості скінченних елементів.

Спеціальні засоби передбачені для створення розрахункових моделей, по­верхня яких описується аналітично. Ці засоби дозволяють автоматично гене­рувати сітку елементів на поверхні, заданій як функція двох та трьох змінних. Для формування довільних сіток на площині використовується автоматична тріангуляція, за допомогою якої сітка може бути нанесена на будь-яку ділян­ку розрахункової схеми.

Для того, щоб забезпечити інженеру роботу з розрахунковою схемою у звичному середовищі, використовуються розбивні (координаційні) осі. На цих осях можуть виконуватися операції зі створення схеми та її фрагментації.

Укрупнені розрахункові моделі та зв'язок з іншими системами

Формування розрахункової схеми чи її частини можна виконати і на основі інформації, імпортованої з таких популярних архітектурних систем, як ALLPLAN, ArchiCAD та МАЭСТРО, систем проектування сталевих конс­трукцій, наприклад, StruCAD, HyperSteel, RealSteel, а також шляхом імпорту файлів у форматах DXF і DWG системи AutoCAD і ряду інших форматів.

Очевидно, що архітектурна модель не може бути повністю автоматично перетворена на розрахункову схему. Це зумовлено наявністю в ній "архітек­турних надмірностей", які не є елементами розрахункової моделі і не впливають на результати розрахунку, не завжди акуратним сполученням еле­ментів моделі, відсутністю даних про умови прилягання та спирання еле­ментів, навантаження, матеріали і т. ін. Трудомісткість доведення одержаної в результаті імпорту моделі до рівня розрахункової схеми найчастіше за­лежить від узгодженості дій архітектора та конструктора на стадії створення архітектурної моделі.

Для спрощення цього процесу до складу обчислювального комплексу SCAD включено спеціальний препроцесор ФОРУМ, в якому для формуван­ня розрахункової моделі використовуються об'єкти, максимально наближе­ні за призначенням та найменуванням до об'єктів архітектурної моделі. До них належать колони, балки, перекриття, стіни та дахи. Представлення геометрії розрахункової схеми в препроцесорі ФОРУМ забезпечує можливість:

• створення структурованої розрахункової моделі з укрупнених елементів;

• збереження структури об'єкта, заданої в архітектурній моделі;

• передавання структури об'єкта в скінченноелементний препроцесор комплексу SCAD, використовуючи для цього автоматичне перетворення (трі­ангуляцію) укрупненої моделі на розрахункову схему методу скінченних еле­ментів та механізм груп.

Групи

Особливу роль при формуванні розрахункової схеми та аналізі результатів відіграють групи вузлів та елементів. Групи - це поіменовані набори вузлів або елементів, які можуть неодноразово використовуватися для виконання різноманітних операцій. Процес об'єднання об'єктів у групи повністю регу­лює користувач. Це можуть бути характерні ділянки конструкції, наприклад міжповерхові перекриття, елементи просторового каркасу, стіни чи інші на­бори об'єктів. Головне, що групи доступні на всіх етапах роботи зі схемою: формуванні моделі, аналізі та документуванні результатів розрахунку. Графі­чне середовище побудоване таким чином, щоб завжди можна було локалізу­вати інформацію в межах однієї чи кількох груп вузлів та елементів.

Фільтри

Останнім часом накреслилася тенденція, пов'язана з ускладненням розра­хункових моделей і, як наслідок, збільшенням кількості вузлів та елементів у розрахункових схемах. Суттєве збільшення розмірності задач вимагає пере­гляду головних критеріїв ефективності процесу та методів створення розра­хункових схем й аналізу результатів розрахунку. В умовах таких великих і насичених схем природним стало перенесення акцентів із функцій форму­вання (хоча їхня роль аж ніяк не знизилася) на функції контролю створеної схеми. Головну роль тут відіграє реалізована в SCAD розвинена система філь­трів, за допомогою яких встановлюються правила відображення інформації на схемі, а також функції візуалізації та фрагментації схеми. Фільтри дозво­ляють відібрати для відображення інформацію про розрахункову схему за десятками критеріїв. При цьому широко використовуються колірні засоби відображення інформації, які разом із фрагментацією дозволяють "дістати­ся" до будь-яких параметрів незалежно від розмірності моделі.

Графічний постпроцесор

У великих розрахункових моделях обсяги можливої підсумкової інформа­ції, як правило, набагато перевищують можливості людини з її осмислення та аналізу. Тому тут разом із розв'язанням суто технічних задач із поліпшен­ня часових факторів (реакція системи на запит користувача або час видален­ня ліній невидимого контуру при побудові ізоліній та ізополів) виявляються проблеми, пов'язані з пошуком серед тисяч елементів та вузлів об'єктів із критичними для даної задачі значеннями аналізованого фактора.

Результати розрахунку можуть бути представлені у вигляді схем перемі­щень та прогинів, епюр, ізоліній та ізополів. Одночасно на схему можуть виводитися і числові значення факторів. Для статичних та динамічних заван­тажень передбачена можливість анімації процесу деформування схеми та запису цього процесу у форматі відеокліпу (AVI). Будь-яка графічна інформа­ція може виводитися на друк або зберігатися у форматі Windows метафайла (WMF). Разом із результатами розрахунку засоби графічного аналізу дозво­ляють відобразити на схемі у вигляді епюр (для стрижневих елементів) або ізоліній та ізополів (для пластин) результати роботи модуля підбору армату­ри в елементах залізобетонних конструкцій, включаючи таку інформацію, як площа арматури у заданому напрямку, ширина розкриття тріщин, відсоток армування та ін.

Документування результатів

Модулі документування результатів розрахунку дозволяють сформувати таб­лиці з вхідними даними та результатами у текстовому або графічному форматі, а також експортувати їх у MS Word чи MS Excel. Формування таблиць викону­ється з урахуванням груп вузлів та елементів, таблиці можна доповнити ко­ментарями та включити до них графічну інформацію. Таким чином, звітний документ може редагуватися засобами MS Word та набувати зручної для конк­ретного користувача форми (наприклад, згідно з прийнятим на підприємстві стандартом), а експорт в MS Excel дає можливість подальшої нестандартної обробки результатів стосовно конкретних обставин використання.