1.1.4 Средства исследования состояния систем деформируемых твёрдых тел

Уровень разрабатываемых математических моделей состояния деформируемых твёрдых тел и их систем под нагрузкой определялся уровнем развития математики и вычислительной техники соответствующих периодов времени. Развитие вычислительной техники и компьютерных технологий позволило исследовать системы посредством их компьютерного моделирования. В настоящее время в Беларуси существует ряд работ по автоматизированному проектированию различных физических систем [4,7]. Они отличаются различными концептуальными уровнями алгоритмизации, моделирования и компьютеризации. В течение последнего десятилетия в практике проектных институтов наибольшее распространение получили следующие программные комплексы.

1. Программные комплексы ЛИРОподобных программ

ЛИРА-WINDOWS - 5.0, МИРАЖ - 4.3, МОНОМАХ. Эти многозадачные программные комплексы (ПК), обеспечивают численные исследования прочности и устойчивости широкого класса конструкций: пространственные стержневые системы, произвольные пластинчатые и оболочечные системы, массивные тела. Программы пакета «ЛИРА» обладают графическим интерфейсом, имеют библиотеку конечных элементов. Применение ПК в строительстве позволяет проектировать перекрытия больших пролётов, конструкции высотных зданий, фундаментные структуры, плиты на грунтовом основании и другие строительные конструкции. Расчёт выполняется на статические и динамические нагрузки при условии линейного деформирования элементов систем. ПК реализует численные методы дискретизации сплошной среды – метод конечных элементов и метод суперэлементов.

Также в комплекс программ «ЛИРА» входят модули, позволяющие учитывать физическую нелинейность на основе различных нелинейных зависимостей от , обеспечивающие возможность компьютерного моделирования процесса нагружения моно- и би-материальных конструкций, с прослеживанием развития трещин, проявлением деформаций ползучести и текучести, вплоть до получения картины разрушения конструкции.

Однако, этот программный комплекс не рассматривает исследуемый объект как единую нелинейную систему, определённую в пространственной многосвязной области. Кроме того, моделирование плит осуществляется плоскими конечными элементами, что не позволяет в полной мере учитывать прогибы многопустотных плит, являющихся основным конструктивным элементом каркасных зданий.

2 Пакет прикладных программ ANSYS

Это универсальный конечно-элементный пакет, на протяжении 30 лет являющийся одним из мировых лидеров, имеет сертификат серии ISO 9001 и используется в промышленности и научно-исследовательских организациях для выполнения статического и динамического анализа конструкций с учетом геометрической и физической нелинейности, для анализа усталостных характеристик, решения задач линейной и нелинейной устойчивости конструкций и многих других задач.

Препроцессор ANSYS позволяет создавать геометрические модели собственными средствами и импортировать готовые. Создание геометрических моделей осуществляется сверху - вниз (операции с геометрическими примитивами) и снизу - вверх (точки - линии - поверхности - объемы). Построение твердотельной модели возможно в ANSYS двумя путями и их комбинацией: при помощи набора готовых примитивов (параллелепипед, цилиндр и др.) и булевых операций над ними, либо последовательным иерархическим построением, начиная с опорных точек, далее линии, сплайны, и т. п. до твердого тела. Имеется редактируемая пользователем библиотека свойств материалов. Однако, в силу своей широкой специализации, программирование расчёта конкретного здания представляет собой трудоёмкую и зачастую практически невыполнимую задачу, поскольку в ряде случаев не учитывается специфика предмета. Поэтому приходится проводить расчёт отдельных элементов. Помимо этого, сам пакет ориентирован на инженеров-математиков и требует профессиональных навыков работы с компьютером.

3 Программный комплекс ProFEt&STARK ES v2.20 (Еврософт)

Этот программный комплекс предназначен для расчета пространственных конструкций на прочность, устойчивость и колебания из серии  программных систем MicroFe. Обладает следующими функциональными возможностями:

1. Графический интерактивный ввод данных сложных пространственных конструкций при помощи естественных для инженера объектов: фундаменты, колонны, стены, перекрытия, балки, нагрузки;

2. Автоматическая генерация пространственных КЭ-моделей;

3) Для расчётов применяются плоские и пространственные стержневые конечные элементы (в том числе с учетом поперечного сдвига),  одно и двухпараметрические упругие основания, элементы плосконапряженного (плоскодеформированного) состояния с тремя степенями свободы в узле, плоские элементы плит (в том числе для толстых плит), элементы плоских оболочек для расчета пространственных систем, опоры в произвольно ориентированных системах координат, упругие связи (шарниры) в произвольных системах координат для всех типов элементов, изотропный и ортотропный материал. Могут производиться различные статические и динамические расчёты. Результаты расчётов отображаются в виде изолиний, изоповерхностей, цифровых значений или эпюр по произвольным сечениям.

Существенным недостатком этого программного комплекса является то, что здание, фундамент, грунтовое основание не рассматриваются как единая пространственная система. Поэтому расчёт проводится поэтапно, что приводит к возникновению дополнительной погрешности. Кроме того, используются стержневые конечные элементы, что не позволяет в полной мере учитывать реальные деформации.

4 Программный комплекс Structure CAD Office (SCAD Group)

Это интегрированная система для прочностного анализа и проектирования конструкций. В состав системы входит вычислительный комплекс SCAD, а также ряд проектирующих и вспомогательных программ, которые позволяют решать вопросы расчета и проектирования стальных и железобетонных конструкций.

Главными недостатками данного программного комплекса являются то, что аппроксимация конструктивных элементов, работающих на изгиб, осуществляется плоскими конечными элементами, что не позволяет учитывать сложную структуру многопустотных плит перекрытий зданий; грунтовое основание аппроксимируется упругим винклеровским основанием, при этом сложность его структуры и свойств не может быть учтена. Всё это в целом приводит к значительной погрешности моделирования и невозможности совместного расчёта системы “Здание – фундамент – грунтовое основание”. Кроме того, отсутствует эффективный инструмент для визуального моделирования пространственных систем , определённых в многосвязной области.

Существуют и другие программы для комплексного расчёта конструкций.

В настоящей работе ставится задача разработки методологии, методов, алгоритмов и программного комплекса для компьютерного визуального объектно-ориентированного моделирования напряжённо-деформированного состояния нелинейных и неоднородных систем деформируемых твёрдых тел, определённых в многосвязной области двумерного или трёхмерного пространства, что наиболее полно соответствует строительным объектам. При объектно-ориентированном моделировании реальной системе ставится в соответствие виртуальная физическая модель, полностью наследующая структурные, геометрические и основные физико-механические свойства оригинала. В силу указанных особенностей и свойств применение такого подхода даст возможность на стадии проектирования повысить точность разрабатываемого проекта системы и оптимизировать его стоимость.