По-видимому, для поперечных сил вообще не следует брать во внимание значения для точек, столь близко расположенных около места приложения сосредоточенной нагрузки.

Таким образом, проверку практической сходимости стоит организовать на примерах, близких к практически интересующему классу задач, но таких, для которых имеются точные решения и известны их неприятные особенности.

7.6. Программные комплексы на основе МКЭ

для расчета строительных объектов

В настоящее время имеется много апробированных программных комплексов (ПК), в которых реализован МКЭ. Благодаря этому стали возможными постановки проблем, которые до сих пор с трудом поддавались расчету или вовсе были недоступны для расчета. МКЭ в методическом плане в наибольшей степени соответствует образу мышления и труду инженера, но при этом предъявляет повышенные требования к его способностям к физико-математическому моделированию постановок технических проблем.

Обычная процедура выполнения расчета с использованием программного конечно-элементного комплекса состоит в создании расчетной модели, задании нагрузок, получении решения и интерпретации результатов.

Все программные комплексы можно подразделить на

специализированные и универсальные.

7.6.1. Специализированные программные комплексы

Специализированные программные комплексы предназначены для анализа вполне определенного класса конструкций или процессов при приложении определенного вида нагрузок или воздействий. Для специализированных ПК характерны: а) высокая эффективность решения задач рассматриваемого класса; б) простая логическая структура; г) относительно невысокие затраты на разработку и стоимость.

Примерами таких специализированных программ для расчета строительных систем и несущих конструкций, в которых реализован МКЭ, на сегодняшний день являются ПК "ЛИРАWindows" (НИИАСС, г.Киев), "SCAD", "Мономах" "Micro Fe", "ProFEt-Stark ES", и множество других узкоспециализированных программ. Рассмотрим некоторые из них.

■ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС "ЛИРА-Windows" [47]

ПК "ЛИРА-Windows" является современным поколением ЛИРОподобных программ, традиционно используемых в строительных проектных организациях для расчета строительных сооружений, в котором реализован метод конечных элементов (МКЭ).

ПК "ЛИРА-Windows" обеспечивает исследование широкого класса конструкций: пространственные стержневые системы, произвольные пластинчатые и оболочечные системы, мембраны, массивные тела, комбинированные системы - рамно-связевые конструкции высотных зданий, плиты на грунтовом основании, ребристые пластинчатые системы, многослойные конструкции.

Расчет выполняется на статически и динамические нагрузки. Статические нагрузки моделируют силовые воздействия от сосредоточенных или распределенных сил или моментов, температурного нагрева и перемещений отдельных областей конструкции. Динамические нагрузки моделируют воздействия от землетрясения, пульсирующего потока ветра, вибрационные воздействия от технологического оборудования, ударные воздействия.

Исследуемые объекты могут иметь произвольные криволинейные очертания, локальные ослабления в виде различной формы отверстий и полостей, различные условия опирания.

Основными этапами решения задач по МКЭ являются: синтез дискретной расчетной схемы на основе расчленения исследуемой системы на конечные элементы; построение матриц жесткости; формирование системы канонических уравнений, отражающих кинематическую совместность расчетной системы; решение системы уравнений и вычисление значений узловых перемещений; определение компонентов напряженно-деформированного состояния исследуемой системы по

найденным значениям узловых перемещений.

В "ЛИРА-Windows" автоматизированы все этапы решения задач по МКЭ, в том числе и процесс генерации расчетной сетки.

При синтезе расчетных схем в распоряжении пользователя имеются многочисленные приемы фрагментации, использование регулярных сеток, размножения, задания табличной информации, умолчание, масштабирование и многое другое. При анализе результатов расчета пользователь может прибегать к цифровой информации, а для общего представления использовать изополя и изолинии параметров напряженно­ деформационного состояния. Графическая среда пользователя функционирует при работе как с основной системой, так и с суперэлементами.

В ПК "ЛИРА-Windows" включено большое количество типов конечных элементов: стержни, четырехугольные и треугольные элементы мембраны, плиты, оболочки (изотропный и ортотропный материал, многослойные конструкции), четырехугольные и треугольные элементы плиты на упругом основании; разнообразные пространственные элементы; одномерный и двухмерный (треугольный и четырехугольный ) осесимметричные элементы; специальные элементы, моделирующие связь конечной жесткости, упругую податливость между узлами; элементы, задаваемые численной матрицей жесткости.

Развитая библиотека конечных элементов, современные быстродействующие алгоритмы решения систем уравнений и определения собственных чисел практически не накладывают ограничения на тип и свойства рассчитываемого объекта и дают возможность решать задачи с большим количеством неизвестных.

ПК имеет конструирующие системы для железобетонных и стальных конструкций и систему документирования, позволяющую оформлять результаты расчета в требуемом виде.

ПК "ЛИРA-Windows" рекомендуется применять при расчетах

пилоны и вантовые системы висячих мостов, мостовые опоры, тоннели; специальных сооруэ/сений - конструкции высотных башен и мачт,

телескопов, магистральных трубопроводов, котлов, корпусов и отдельных фрагментов судов, летательных аппаратов, тяжелые конструкции атомной энергетики, гидротехнических сооружений.

В программном комплексе "ЛИРА-Windows" реализованы строительные нормы и правила, действующие на данный момент.

По функциональному принципу в ПК "ЛИРА-Windows" выделяются следующие основные части :

ЛИР-ВИЗОР - графическая среда пользователя;

ВХОДНОЙ ЯЗЫК - задание исходных данных в текстовом режиме;

ЛИР-ЛИН - линейный процессор; ЛИР-СГЕП - нелинейный процессор;

ЛИР-АРМ - постпроцессор конструктора железобетонных конструкций;

ЛИР-СТК— постпроцессор конструктора стальных конструкций;

ЛИТЕРА - определение эквивалентных напряжений по различным теориям прочности;

УСТОЙЧИВОСТЬ - определение коэффициентов устойчивости сооружения;

ФУНДАМЕНТ—сбор нагрузок на обрезы фундаментов; СЕЧЕНИЕ - определение геометрических характеристик для сечений различного профиля.

■ ПРОЕКТНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС Structure CAD для Windows (SCAD), представляющий собой дальнейшее развитие программы ЛИРА, реализован как интегрированная система прочностного анализа и проектирования строительных конструкций на основе метода конечных элементов и позволяет определять напряженнодеформированное состояние конструкций от статических и динамических воздействий, а также выполнять ряд функций проектирования элементов конструкций.

В основу комплекса положена система функциональных модулей, связанных между собой единой информационной средой.

Функциональные модули SCAD делятся на четыре группы: в первую группу входят модули, обеспечивающие ввод исходных данных в интерактивном графическом режиме (графический препроцессор) и графический анализ результатов расчета (графический постпроцессор).

Модули второй группы служат для выполнения статического и динамического расчетов (процессор), а также вычисления расчетных сочетаний усилий, комбинаций загружений, главных и эквивалентных напряжений, реакций, нагрузок на фрагмент схемы, анализ устойчивости (эти модули условно называются расчетными постпроцессорами).

Документирование результатов расчета выполняется модулями третьей группы.

В четвертую группу включаются проектирующие модули (проектирующие постпроцессоры), которые служат для подбора арматуры в элементах железобетонных конструкций, а также проверки сопротивления и подбора сечений элементов стальных конструкций.

Модульная структура дает возможность сформировать для каждого пользователя такую конфигурацию SCAD, которая максимально отвечает его потребностям по классу решаемых задач, средствам создания расчетных схем, анализу и документированию результатов расчета.

Высокопроизводительный процессор позволяет решать задачи статики и динамики с большим количеством степеней свободы (до 392000).

Библиотека конечных элементов содержит различные виды стержневых элементов, включая шарнирно-стержневые, рамные, балочного ростверка на упругом основании, позволяет учитывать сдвиг в сечении стержня. Пластинчатые элементы, которые представлены трех- и четырехузловыми элементами плит, оболочек и балок-стенок, могут содержать дополнительные узлы на ребрах и обеспечивают решение задач для материалов с различными свойствами (с учетом ортотропии, изотропии и анизотропии). Кроме того, библиотека включает различные виды объемных элементов, а также специальные элементы для моделирования связей конечной жесткости, упругих связей и другие.

Для формирования геометрии расчетных схем в комплексе предусмотрена широкая гамма средств, таких как функции создания схем по параметрическим прототипам конструкций, генерации сеток элементов на плоскости и в пространстве, копирование фрагментов схем, сборки из подсхем и групп, различные функции геометрических преобразований. В режиме графического диалога задаются все основные параметры схем, включая жесткостные характеристики элементов, условия опирания и примыкания, статические и динамические нагрузки и др. Графический интерфейс максимально приближен именно к технологии создания и модификации расчетных схем и учитывает особенности обработки информации этого вида.

В комплекс включены параметрические прототипы многоэтажных и одноэтажных рам, ферм с различным очертанием поясов и решеток, балочные ростверки, а также поверхности вращения (цилиндр, конус, сфера и тор). В процессе их формирования могут быть автоматически назначены условия опирания, типы и жесткости конечных элементов. Библиотека параметрических прототипов постоянно расширяется и совершенствуется.