Проектирование

Проектирование пневматических конструкций выполнялось архитекторами, анализ их формы — специалистами по моделированию, расчет конструктивных элементов—инженерами-конструкторами, а некоторые статические расчеты — специалистами по оболочкам, то сейчас все перечисленные задачи может самостоятельно решить любой из этих специалистов, используя современную программу численного расчета и вычислительное устройство размером с обычный микрокалькулятор. Разработка такого рода программы, получившей название РАМ —LISA по начальным буквам английских слов Programs in Advanced Mechanics — Lightweight Structures Analysis (программы в современной механике — расчет легких конструкций), изложена в данной статье. Есть все основания надеяться на значительный эффект, который может быть достигнут благодаря унификации методов расчета и проектирования, преодолению узкой специализации разработчиков конструкций и использованию поистине неограниченных возможностей современной вычислительной техники.

Использование современных вычислительных программ в значительной степени сводится к набору стереотипных операций, и поэтому при некотором навыке вполне доступно любому, кто достаточно хорошо представляет себе рассчитываемую конструкцию в ее физическом и инженерном аспектах. Работа с программой строится на интуитивной основе, подобно работе физика-экспериментатора или мастера-модельщика, и не имеет ничего общего с подходом математика, пользующегося аналитическими методами. Специалист, работающий с программой, может получить результат своей работы сразу в законченном виде и к тому же значительно быстрее, чем при использовании громоздких формул, утомительных выкладок и бесконечного ручного счета.

Метод конечных элементов. При использовании метода конечных элементов (МКЭ) конструкция надлежащим образом расчленяется на множество элементарных структурных единиц, реакции которых на приложенные к ним деформации и усилия могут быть запрограммированы для автоматизированного расчета на ЭВМ. Структурная единица (конечный элемент) может представлять собой прямолинейный отрезок троса (тросовый элемент), четырехугольный участок мембраны (мембранный элемент), недеформированный отрезок балки (балочный элемент), кубик в объеме массивной конструкции («блочный» элемент) и т. п. в зависимости от типа рассчитываемой конструкции.

После того, как реальная конструкция представлена расчетчиком в виде ансамбля (сетки) таких элементов, ЭВМ рассчитывает характеристики жесткости всех элементов и действующие в них усилия, объединяя полученные данные в систему уравнений равновесия в узлах (точках пересечения элементов). В результате рвения этой системы на ЭВМ определяют перемещения узлов, по которым в соответствии с программой рассчитывают деформации и напряжения в каждом из конечных элементов.

Если условие равновесия конструкции зависит от ее деформированной формы (т. е. конструкция является геометрически нелинейной), что характерно, за малым исключением, для всех легких конструкций, то решение выполняют путем итераций, причем на каждом шаге расчета определяют новое очертание конструкции, служащее основой для последующего шага итерационного процесса. Реализация МКЭ автоматизирована в такой степени, что для его успешного применения не требуется подробное знание функциональных аспектов метода. Это дает проектировщику возможность создавать конструкцию, используя данный метод интуитивно и чисто эмпирически, и требует от него почти исключительно лишь физического понимания технических аспектов формы конструкции и ее поведения под нагрузкой.

Процедура отыскания формы мягких оболочек достаточно сложна, поскольку необходимо учитывать сопротивление материала оболочки сдвигу. Что же касается характера нагрузок на мягкие оболочки, то он, по-видимому, не вносит в расчет дополнительных трудностей по сравнению с тросовыми системами. Поэтому мы остановимся лишь на особенностях процедуры отыскания формы оболочек.

Отыскание формы мягких оболочек. В природе существуют физически реальные (хотя и эфемерные) формы мягких оболочек, обладающие замечательным свойством сохранять постоянное и равномерное натяжение в любой точке и во всех направлениях: это мыльные пленки. Мыльная пленка образует в то же время минимальную поверхность. Поэтому форму мыльной пленки часто используют в качестве исходной при проектировании мягких оболочек.

Конечные элементы, обладающие свойствами мыльной пленки (пленочные элементы), играют ту же роль при расчете мягких оболочек, что и тросовые элементы при расчете тросовых систем. Они характеризуются свойством сохранять изотропное натяжение, независимо от их деформированного состояния. Мягкую оболочку, образованную из таких пленочных элементов, можно рассматривать как идеализированную («чистую») форму, равновесное состояние которой однозначно определяется заданными напряжениями и внешними нагрузками.

Дата добавления: 2015-06-30