УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой

_____________________________

"__" ___________________ 20__ г.

 

 

 

 

Аннотированный отчет за 2017 год

1. Наименование проектов

1)    Разработка конечно-элементного программного комплекса для решения задач статики и динамики строительных конструкций (инициативная тема)

2)    Исследование поведения многослойных оболочек при воздействии статических и динамических нагрузок (грант №15-07-06581-а, рук. Федорова Н.Н.)

3)    Построение математической модели деформирования конструкций из структурно-неоднородных материалов с нелинейным поведением (инициативная тема)

 

2. Кафедра

ПМ

 

3. Научный руководитель проекта

Данилов Максим Николаевич

 

4. Указать источник финансирования. Если тема не имеет финансовой поддержки, написать "Инициативная"

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант №15-07-06581-а, рук. Федорова Н.Н.)

 

5. Текст аннотации

Представлены результаты экспериментального и численного исследования процесса деформирования дюралюминиевых пластин при воздействии ударной волны, возникающей в результате взрыва заряда конденсированного взрывчатого вещества. Определен характер деформирования и разрушения прямоугольных пластин, жестко закрепленных по периметру. Показано, что пластины деформируются по схеме "конверт". Определены остаточные пластические деформации и прогибы пластин. Параметры ударно-волнового нагружения описаны с помощью полуэмпирических зависимостей. Результаты расчетов сопоставлены с экспериментальными данными.

Представлены результаты численного моделирования процесса деформирования многослойных пластин из композитных и полимерных материалов при воздействии ударной волны. Исследовано поведение трех- и шестислойных пластин со стеклопластиковыми обшивками и средними слоями из резиноподобных и пеноподобных материалов с различными плотностями. Определен характер деформирования и разрушения прямоугольных пластин. Результаты расчетов сопоставлены с экспериментальными данными.

Проведено экспериментальное исследование изгиба трехслойных панелей производства завода «Алпан» (г. Новосибирск) с применением методов тензометрии и фотограмметрии. Методом тензометрии установлены режимы работы металлической гофрированной наружной обшивки панели и внутренней обшивки из алюминиевой фольги. Методом фотограмметрии  определены деформации среднего слоя из пенополиуретана. Выявлены и изучены особенности работы конструкции при статических нагрузках. Даны рекомендации по подготовке и проведению эксперимента, а также рекомендации по выполнению конечно-элементного анализа панелей.

Предложен метод расчета трехслойных конструкций основанный на введении приведенных слоев для участков клеевого соединения обшивок и утеплителя панели.

В программе ANSYS выполнено конечно-элементное моделирование работы исследуемых панелей. Результаты численного моделирования сопоставлены с экспериментальными данными. Определены напряжения и деформации в элементах конструкции при действии статических нагрузок различной величины и конфигурации. Установлены пределы прочности исследуемых панелей. Предложена расчетная методика определения реальных механических свойств материалов конструкции.

Экспериментальные работы выполнены в тесном контакте с экспериментаторами А.Г. Демешкиным и Е.В. Карповым лаборатории механики разрушения материалов и конструкций института гидродинамики СО РАН. Использованное оборудование: испытательная машина Zwick/Roell Z100, измерительная система «Correlated Solutions VIC-3D» (фотограмметрия, корреляционный анализ стереоизображений).

С помощью численного моделирования в программном комплексе ANSYS выполнена апробация разработанного ранее численно-аналитического метода определения прогибов железобетонной балки с применением нелинейных диаграмм деформирования бетона. Метод основан на едином подходе к  построению аппроксимаций диаграмм деформирования бетона и арматуры, аппроксимаций функции кривизны, функции распределения высоты сжатой зоны. Численное моделирование используется для определения напряженно-деформированного состояния изгибаемых армированных элементов из однородного ячеистого материала в состоянии предразрушения (перед образованием трещины). Армирование изгибаемых элементов выполнено полосами дюралюминия по различным схемам. Исходные данные по нагрузкам, соответствующим состоянию предразрушения,  получены с помощью численно-аналитического метода. Анализ полученных результатов показал, что численно аналитический метод позволяет адекватно описывать напряженно-деформированное состояние в армированных изгибаемых элементах до момента образования трещины.

Рассмотрена технология “опускной колодец”, применительно к строительству подземного гаража-стоянки. Проведено исследование напряжено-деформированного состояния конструкций опускного колодца. Описан характер напряженного состояния конструкций опускного колодца при действии неравномерно распределенной нагрузки на стены. Даны рекомендации к проектированию принятой конструкции.

 

Продолжена разработка пакета программ «Finite element calculation of composite structures» (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015663112) для конечно-элементного анализа конструкций.

Разработан подпрограммный алгоритм для приложения ANSYS Mechanical (технология «User Programmable Features», подпрограмма usermat.f), позволяющий выполнять расчет напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций с учетом диаграммы деформирования бетона. Алгоритм создан на языке Fortran.

Разработан численный алгоритм расчета железобетонных конструктивных элементов с учетом нелинейности механических свойств. Алгоритм основан на методе конечных элементов в форме перемещений. Решение нелинейной задачи осуществляется с помощью метода Ньютона-Рафсона. Нелинейность механических свойств бетона учитывается в расчете с помощью использования трансформированной диаграммы деформирования. С использованием разработанных программных средств проведено численное моделирование напряженно-деформированного состояния растягиваемых и сжимаемых бетонных образцов. Результаты расчета сопоставлены с экспериментальными данными. Продемонстрировано применение разработанной методики выполнения конечно-элементных расчетов железобетонных конструкций с использованием трансформированных диаграмм деформирования.

 

5.1 Основные достигнутые научно-технические результаты

Назначение:

Численное моделирование процессов деформирования строительных конструкций из структурно-неоднородных материалов при статических и ударно-волновых нагрузках.

 

Описание, характеристики:

Основные характеристики разработанного пакета программ «Finite element calculation of composite structures»:

  • вариационная формулировка МКЭ в форме метода перемещений;
  • теория малых перемещений;
  • 1D/2D/3D-постановки (плоское напряженное состояние, плоское деформированное состояние);
  • формы элементов: линейные, плоские треугольные и четырехугольные, тетраэдры, гексаэдры, призмы, пирамиды;
  • линейные, квадратичные и кубические функции формы;
  • интегрирование по области КЭ методом квадратур Гаусса;
  • чтение сетки из inp-файла ANSYS Mechanical APDL;
  • собственный универсальный формат файлов для хранения числовых данных (текстовый, бинарный);
  • метод Ньютона-Рафсона для решения системы нелинейных уравнений;
  • модель Базанта (неупругое деформирование бетона);
  • граничные условия: заданное узловое перемещение, заданная узловая сила;
  • методы решение СЛАУ:

-    разложение Холецкого, LU-разложение и др.

-    метод сопряженных градиентов с предобуславливанием, метод Якоби и др.

  • 3D-графика (библиотека DirectX 10);

языки программирования: C++, C#, Fortran, MathCAD.

 

Преимущества перед известными аналогами:

Разработанный пакет программ «Finite element calculation of composite structures» для конечно-элементного анализа, в отличие от коммерческого программного обеспечения (например, ANSYS), может быть дополнен собственными математическими моделями и алгоритмами, что требуется при выполнении научно-исследовательских работ.

 

Область применения:

  • численное моделирование процессов деформирования строительных конструкций из структурно-неоднородных материалов при статических и ударно-волновых нагрузках;
  • конструирование и производство многослойных композитных и железобетонных строительных конструкций.

 

Авторы:

Данилов М.Н., Федорова Н.Н., Адищев В.В.

 

5.2 Степень готовности полученных результатов к практическому использованию

высокая

 

5.3 Уровень правовой охраны

Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015663112. Правообладатели Н.Н. Данилов, НГАСУ (Сибстрин).

 

5.4 Использование результатов исследований в учебном процессе

Результаты исследований используются в учебном процессе на кафедре «Прикладная математика» в ФГБОУ НГАСУ (Сибстрин), дисциплины «Современные программные комплексы», «Методы решения научно-технических задач в строительстве» (магистранты). Также результаты были использованы для подготовки и проведения занятий в рамках международной летней инженерно-экологической школы.

 

5.5 Публикации

Результаты работы членов научного коллектива опубликованы в российских и зарубежных журналах:

1)    Danilov M.N., Adishchev V.V., Fedorova N.N. Study of thin-walled structure behavior under shock-wave loading // Proceedings of the XXV Conference on High-Energy Processes in Condensed Matter (HEPCM 2017): Dedicated to the 60th anniversary of the Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS (Russia, Novosibirsk, 5–9 Jun., 2017) : AIP Conference Proceedings. -Vol.1893, No.1. -S.l.: AIP Publishing, 2017. -030137 p. DOI: 10.1063/1.5007595 (РИНЦ, Scopus)

2)    Бут А.Н., Виноградов А.Б., Данилов М.Н. Исследование НДС железобетонных конструкций подземного паркинга, возводимого по технологии «Опускной колодец» // Труды НГАСУ. 2017. т.20. №2(65). (РИНЦ)

3)    Danilov M.N.,  Fedorova N.N., Adishchev V.V. Study of Multi-layered Structures Behavior under Shock-wave Loading // Proceedings of the XV All-Russian Seminar "Dynamics of Multiphase Media": Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS (Russia, Novosibirsk, 3–5 Okt., 2017): AIP Conference Proceedings. -Vol.?, No.?.: AIP Publishing, 2017. (РИНЦ, Scopus)

4)    Адищев В.В., Мальцев В.В., Данилов М.Н. Верификация численно-аналитического метода определения прогибов с помощью численного моделирования // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2017. №?. С.?. (РИНЦ, ВАК)

 

5.6 Подготовка аспирантов

нет

 

5.7 Диссертации, защищенные по тематике проекта

нет

 

5.8 Доклады, представленные на конференциях

Результаты работы членов научного коллектива доложены на всероссийских и международных конференциях:

1)    Данилов М.Н., Адищев В.В., Федорова Н.Н. Исследование поведения тонкостенных конструкций при ударно-волновом нагружении / XXV Всероссийская конференция с международным участием «Высокоэнергетические процессы в механике сплошной среды», Россия, Новосибирск, ИТПМ СО РАН, 5-9 июня, 2017.

2)    Данилов М.Н., Федорова Н.Н., Адищев В.В. Исследование поведения многослойных конструкций при ударно-волновом нагружении / XV Всероссийский семинар «Динамика Многофазных Сред» с участием иностранных ученых, Россия, Новосибирск, ИТПМ СО РАН, 3-5 октября, 2017.

3)    Данилов М.Н., Федорова Н.Н., Адищев В.В. Исследование поведения металлических и композитных пластин при ударно-волновом нагружении / 14-я Международная конференция пользователей CADFEM/ANSYS (ACUM-2017), Россия, Санкт-Петербург, 31.10-02.11, 2017.

4)    Данилов М.Н., Адищев В.В. Экспериментальное и теоретическое исследование изгиба трехслойных панелей / X Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные вопросы архитектуры и строительства», Россия, Новосибирск, НГАСУ (Сибстрин), 11-13 апреля, 2017.

5)    Данилов М.Н. Моделирование железобетонных конструкций в ANSYS Mechanical 18 / 14-я Международная конференция пользователей CADFEM/ANSYS (ACUM-2017), Россия, Санкт-Петербург, 31.10-02.11, 2017.

6)    Данилов М.Н. Применение программного комплекса ANSYS для решения задач механики деформируемого твердого тела / Форум «ANSYS 18», Россия, Новосибирск, 12 апреля, 2017.

7)    Данилов М.Н., Петрова О.В. Численный алгоритм расчета железобетонных конструктивных элементов с учетом нелинейности механических свойств / X Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные вопросы архитектуры и строительства», Россия, Новосибирск, НГАСУ (Сибстрин), 11-13 апреля, 2017.

 

 

5.9 Участие в выставках, ярмарках:

нет

 

6. Прочая информация, важная с точки зрения научного руководителя проекта

1)    Заявка на грант РФФИ, название проекта “Разработка математической модели деформирования бетона как структурно-неоднородного материала», подана 29.09.2017

2)    Международная летняя инженерно-экологическая школа (сербы, корейцы), 4 часа (лекция + практика) на английском, 24.07.2017-02.08.2017

3)    Руководство студенческими научно-исследовательскими работами, представленными на Межвузовской научной студенческой конференции МНСК-2017 «Интеллектуальный потенциал Сибири»:

  • Бут А.Н., 226-маг «Расчет напряженно-деформированного состояния несущих конструкций подземного гаража-стоянки при строительстве методом опускного колодца» (рук. А.Б. Виноградов, М.Н. Данилов)
  • Назаренко Я.В., 126-маг «Расчётное обоснование технологии зимнего бетонирования каркасных конструкций на промороженном основании»  (рук. В.В. Молодин, М.Н. Данилов)
  • Поздняков И.С., 161-маг, «Исследование механических и теплотехнических свойств многослойных панелей» (рук. О.А. Игнатова, М.Н. Данилов)

 


Создан: 2017-11-16 12:17:31
Обновлен: 2017-11-16 12:17:31