6 Технология компьютерного объектно-

ОРИЕНТИРОВАННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ

ДЕФОРМИРУЕМЫХ ТВЁРДЫХ ТЕЛ

6.1 Технологические этапы компьютерного объектно-ориентированного

моделирования систем деформируемых твёрдых тел

Технология визуального объектно-ориентированного моделирования сложной нелинейной системы деформируемых твёрдых тел основывается на методологии процесса моделирования, содержании и назначении моделируемых задач и может быть представлена следующими основными этапами, рисунок 6.1 [11, 23, 24, 25, 29, 31]:

1. Внешние процедуры;

2. Внутренние процедуры;

3. Численное моделирование;

4. Анализ результатов и принятие решений.

Наполнение этих этапов зависит от содержания моделируемых задач. Рассмотрим содержание процесса компьютерного визуального объектно-ориентированного моделирования систем деформируемых твёрдых тел на примере системы «Фундамент - грунтовое основание».

На этапе внешних процедур анализируются инженерно-геологические показатели грунтового основания, устанавливается область существования и структура системы, определяются параметры дискретизации и физико-механические характеристики элементов основания и конструктивных элементов структур фундаментов, определяются величина и характер распределения внешней нагрузки.

На этапе внутренних процедур производится работа непосредственно с программным обеспечением визуального объектно-ориентированного моделирования заданной структуры фундаментов и грунтовых оснований. При этом формируются вектора для автоматического построения дискретизованной области нерегулярной структуры, создается конкретное наполнение базы данных физико-механических характеристик моделируемой системы, формируются вектора граничных условий для заданной системы, на экране монитора строится виртуальная физическая модель системы, см. рисунок 5.1, каждому конечному элементу системы назначаются его начальные свойства, считываемые из соответствующей базы данных.

На третьем этапе происходит численное решение сформированной задачи. Результаты решения представлены значениями компонент векторов перемещений для каждого узла дискретизованной области при условиях линейного и нелинейного деформирования. Производится экранная визуализация результатов в виде таблиц и графиков.

На четвёртом этапе производится анализ полученных результатов и принимается решение о принятии параметров построенной системы в качестве основного варианта проектируемой физической системы или принимается решение об изменении её структуры и (или) свойств.

6.2 Интерфейс визуального ввода данных

Разработка удобного интерфейса для ввода исходной информации о физической модели, данных для построения виртуальной пространственной дискретной модели является достаточно сложной задачей, так как отображение виртуальной физической модели в пространстве должно давать общее представление о строящейся виртуальной

дискретной модели, а также предоставить удобный и понятный способ задания характеристик и свойств отдельных элементов физической модели.

Рисунок 6.1 – Технологическая схема компьютерного объектно-ориентированного

моделирования структур фундаментов на грунтовом основании

При компьютерном объектно-ориентированном моделировании деформаций и осадок строительных объектов как трехмерных нелинейных систем твердых тел исходные данные для ввода можно разделить на следующие группы.

1. Данные, задаваемые явно, т.е. прямо на экране.

2. Данные, задаваемые с помощью выбора определенных условий. Например, задание симметрии виртуальной дискретной модели полностью определяет узлы, в которых известны те или иные перемещения.

3. Данные, задаваемые визуально с помощью закраски части или всего отображения виртуальной модели.

4. Отображение пространственной виртуальной модели должно включать общий вид физической системы или объекта, возможность работы с отдельными слоями и элементами, которым можно задавать свойства (характеристики), содержать способ выделения точек приложения нагрузки. Необходима проверка корректности построения виртуальной дискретной модели.

Одним из вариантов интерфейса визуального ввода исходных может быть интерфейс, представленный на рисунке 6.2. Он включает задание размеров и векторов шагов дискретизации расчетной области, задание вектора нагрузок и узлов их приложения, а также способ визуального послойного и поэлементного задания физико-механических характеристик элементов дискретизованной расчетной области. Содержание интерфейса формирования и ввода исходных данных моделируемой физической системы покажем на примере конкретной задачи

В качестве тестовой задачи исследуемой физической системы рассмотрим плитный коробчатый фундамент, что показано на рисунке 6.2 [29, 30, 31, 32, 33, 34].

Размеры конструкции приняты следующими: поперечное сечение фундаментной плиты составляет 260 х 230 см; полость – 180 х 190 см.

Грунтовые условия площадки: песок средней крупности с характеристиками φ = 35^°, с = 0,002 МПа, Е = 36 МПа, е=0,64, µ = 0,2.

Для исследования особенностей приведенной физической системы необходимо построить некоторое количество модельных задач, рассмотренных в одной и той же виртуальной физической и дискретной области, при этом варьируются значения определённых параметров исследуемой системы. Все необходимые исходные данные и схема дискретизованной области представлены на рисунке 6.2. Размеры расчётной области определяются размерами конструкции фундамента и структурой и свойствами грунтового основания, они приняты следующими 580 х 530 см. Дискретизация расчётной области принята нерегулярная и определена векторами

hx = {70, 50, 40, 40, 40, 50, 50, 40, 40, 40, 50, 70}см;

hy = {40, 40, 50, 50, 50, 50, 50, 60, 60, 80}см.

Нагрузка Р = 1620 кг = {135, 270, 270, 270, 270, 270, 135}.

Виртуальная дискретная модель рассматриваемой физической системы и интерфейс ввода исходных данных представлены на рисунке 6.2.

Программное обеспечение реализовано в среде визуального объектно-ориентированного программирования Delphi 7.0.

Содержание шагов интерфейса ввода данных и их наполнение приведено ниже.

1. При вводе исходных данных необходимо:

задать размеры расчетной области: a, b – размеры расчетной области по осям ОХ и ОУ;

• kx, ky – количество шагов разбиения по осям ОХ и ОУ;

• шаги разбиения по оси ОХ: hx={hx₁, hx₂, hx₃,…, hx_kx-1} , шаги разбиения по оси ОУ: hy={hy₁, hy₂, hy₃,…, hy_ky-1}. Сумма шагов по оси ОХ должна равняться a. Сумма шагов по оси ОУ должна равняться b;

• количество закрепленных узлов, т.е. узлов, в которых известно, что перемещения равны нулю;

• количество точек под нагрузкой, их номера и величины нагрузки в кг в точках.

При вводе из файла эти исходные данные появятся автоматически.

Рисунок 6.2 – Виртуальная дискретная модель физической системы и

интерфейс ввода исходных данных

2. Нажать кнопку «ОК». Появится расчетная область с разбиением на конечные элементы в соответствии с размерами шагов. Здесь необходимо указать характеристики конечных элементов (E и µ) визуально. По умолчанию считается, что вся область - грунт с характеристиками E = 360 кг/см² и µ = 0,2. На экране имеется палитра цветов маркирующих названия материалов. По кнопке «Изменить» можно просмотреть их характеристики и, если нужно, изменить их. Задание характеристик конечным элементом производится следующим образом: выбирается на палитре цветов нужный материал и мышью проводится по всем нужным конечным элементам.

3. Для решения задачи нажимается кнопка «Вычислить». В результате появляется окно со значениями перемещений по узлам расчетной области.

4. Результаты можно отобразить таблично, графически и через буфер обмена сбросить в Word документ.

5. Если продолжать работу с программой не надо, то закрываем окна или по кнопкам выходим из программы.

6. Если нужно просчитать другие варианты, то закрываем окно результатов и в окне исходных данных формируем новые данные и опять нажимается кнопка «Вычислить».

7. После заполнения исходных данных можно создать файл исходных данных по кнопке «Запись в файл», который можно использовать при последующем вводе данных.