Соединения элементов конструкций: моделирование контактов

Соединения элементов конструкций являются самой хрупкой частью стальной конструкции. Тем не менее, их редко включают в расчет, а для упрощения процесса расчета инженеры используют упругие связи с уменьшенным модулем упругости, моделируя взаимодействие конструктивных элементов. Однако, сами соединения подвергаются разрушению в зависимости от работы конструкции, а анализ нелинейного поведения соединительных элементов невозможен при использовании подхода с применением упругих связей. Соединение элементов включает сложную геометрию, разные материалы, предварительное напряжение, начало контактного взаимодействие или разрыв контакта, трение и проскальзывание.

Применение МКЭ при анализе соединений

В связи со сложностями, возникающими из-за геометрии и поведения конструкции, детальный расчет соединительных элементов проводят с применением метода конечных элементов (МКЭ). Для выполнения анализа первым этапом готовят детально проработанную геометрию узла соединения. Геометрия может быть подготовлена как в любом привычном CAD-редакторе, так и непосредственно в расчетном комплексе midas FEA NX.

Возможны разные подходы: на первом изображении показано соединение двутавровой балки, смоделированное в виде плитных элементов, на втором изображении — твердотельная модель той же конструкции. Использование МКЭ при решении подобных задач позволяет описать все нюансы геометрии конструктива.

Плитная модель стыкового балочного соединения, созданная в программе midas FEA NX
Рисунок 1. Плитная модель стыкового балочного соединения и ее конечно-элементный вид

Твердотельная модель стыкового балочного соединения, созданная в midas FEA NX и ее конечно-элементный вид
Рисунок 2. Твердотельная модель стыкового балочного соединения и ее конечно-элементный вид

В конструкциях мы встречаем разные типы соединений: болтовое соединение, сварное и другие. Соединения включают в себя взаимодействие нескольких элементов и в midas FEA NX могут быть описаны с помощью элементов контакта.

Типы контактов

В midas FEA NX доступно пять типов контактов: сварной контакт (Welded), контакт с двунаправленным скольжением (Bi-directional Sliding Contact), грубый контакт (Rough), контакт с разрывом сварного шва (Breaking-Weld) и общий контакт (General).

Тип контакта
Работа в нормальном направлении
Работа в касательном направлении
Доступные типы расчетов
Сварной контакт Закреплен Закреплен Линейный и нелинейный
Контакт с двунаправленным скольжением Закреплен Скользящий Линейный и нелинейный
Грубый контакт Свободный Без скольжения Нелинейный
Общий контакт Свободный Скользящий (вводится коэффициент трения) Нелинейный
Контакт с разрывом сварного шва Свободный (вводится усилие разрыва) Свободный (вводится усилие разрыва) Нелинейный

Линейный контакт

Линейный контакт используют в линейном и нелинейном анализе и включает в себя сварной контакт (Welded) и контакт с двунаправленным скольжением (Bi-directional Sliding). Оба типа контакта одинаково работают в нормальном направлении и закрепляют контактные поверхности между собой. В касательном направлении сварной контакт не может разделяться, обе части движутся как единая деталь на определенной контактной поверхности, а двунаправленный скользящий контактный тип может скользить в касательном направлении контактной поверхности. Коэффициент трения отдельно не определяется, значение 0 устанавливается автоматически.

Работа контактов Welded и Bi-directional Sliding
Рисунок 3. Работа контактов Welded и Bi-directional Sliding

Нелинейный контакт

Грубый контакт (Rough), общий контакт (General) и контакт с разрывом сварного шва (Breaking-Weld) могут использоваться в нелинейном анализе. Применяя грубый и общий контакт можно разделить контактную поверхность по вертикали или горизонтали, при таком воздействии они работают одинаково. Разница заключается в рассмотрении горизонтального скольжения контактной поверхности. Общий контакт, в отличие от грубого контакта, имеет горизонтальное скольжение по контактной поверхности. Для описания скольжения может применяться коэффициент трения.

Работа контактов Rough и General
Рисунок 4. Работа контактов Rough и General

Также к нелинейным контактам относится контакт разрыва сварного шва (Breaking-Weld), который допускает разделение при превышении усилия разрыва. Однако, когда сила контакта меньше силы разрушения, оно движется как одно тело. Усилия разрыва определяются непосредственно пользователем.

Работа контакта Breaking-Weld
Рисунок 5. Работа контакта Breaking-Weld

Cоздание контакта

Помимо описания работы конструктивных элементов, элементы контакта могут быть использованы в очень сложных геометрических моделях, когда нет возможности создать сплошную сетку. Функция midas FEA NX позволяет избежать ошибок расчета и получить результат, идентичный сплошной сетке. Как изначально предусмотренные, так и добавленные в процессе анализа проблемной схемы.

Инструмент создания контакта доступен из любой вкладки с инструментами для разных типов расчетов (Static Analysis, Dynamic Analysis и Geotechnical Analysis) в блоке Contact.

Контакт может быть создан автоматически с автоматическим поиском площадок, по которым выбранные сетки стыкуются, но не имеют общих узлов. На таких площадках автоматически формируются контактные поверхности. При этом можно вручную указать диапазон поиска (расстояние между основной контактной поверхностью и подчиненной поверхностью контакта), либо оставить этот параметр в автоматическом режиме.

Диалоговые окна автоматического и ручного создания контакта и окно параметров контакта
Рисунок 6. Диалоговые окна автоматического и ручного создания контакта и окно параметров контакта

Также доступен ручной режим создания, где пользователь может напрямую указать главную и подчиненную поверхность контакта для создания контактной пары. При этом может быть выбрана грань, двухмерный элемент, трехмерный элемент, свободная грань двухмерного элемента и свободная грань трехмерного элемента.

Наборы параметров элементов контакта

У каждого элемента контакта свои наборы параметров, которые пользователь может регулировать:

  • Normal Stiffness Scaling Factor

    Масштабный коэффициент жесткости в нормальном направлении: чем меньше параметр, тем большее проникновение допускается. Рекомендуются значения по умолчанию.

  • Tangential Stiffness Scaling

    Масштабный коэффициент жесткости в касательном направлении: принимается в 10 раз меньше нормального. Рекомендуются значения по умолчанию.

  • Contact Tolerance

    Допуск контакта: поиск площадки контакта в диапазоне допуска (для сварного и скользящего контакта, контакт работает, когда ведущая и ведомая поверхности находятся в пределах этого допустимого расстояния; для общего и грубого контакта контакт работает, когда ведущая и ведомая поверхности входят в пределы этого расстояния).

  • Master Segment Extension Ratio

    Коэффициент удлинения главного контакта: расстояние поиска контактной поверхности может быть определено как произведение размера ячейки эталонной поверхности и этого коэффициента удлинения.

  • Remove Initial Penetration by Adjusting Solve Nodes

    Устранение начального проникновения: если подчиненные контактные узлы проникли в основную контактную поверхность в начале, положение подчиненных узлов будет автоматически исправлено, чтобы подавить проникновение.

  • Friction Coefficient

    Коэффициент трения: вводится опционально.

  • Conduction for Seepage Flow

    Проницаемость для фильтрационного потока: указывается опционально.

  • Thermal Conductance

    Теплопроводность: указывается опционально.

  • Normal Failure Force

    Усилие разрыва сварного соединения в нормальном направлении: указывается при использовании соответствующего типа контакта.

  • Shear Failure Force

    Усилие разрыва сварного соединения в касательном направлении: указывается при использовании соответствующего типа контакта.

Примеры моделирования контактов

Общий контакт между двумя твердотельными объектами. Напряжения по Мизесу. На этом примере демонстрируется, как при начале взаимодействия двух объектов моделируется влияние перемещаемого объекта на основной.

Общий контакт, смоделированный в midas FEA NX. Напряжения по Мизесу

Соединение внахлест при боковом растягивающем напряжении для соединения двух комплектов сеток КЭ, узлы которых не объединены. В качестве контакта используется сварное соединение.

Общий вид рассматриваемого узла в конечно-элементной постановке

Полученные в результате расчета напряжения по Мизесу. Масштаб перемещений увеличен для наглядности.

Общий контакт. Напряжения по Мизесу

Напряжения по Мизесу при стыковом соединении двутавровой балки. Значения силы и момента на отдельных концах двутавровых балок изначально получены из результатов общего конструкционного расчета, выполненного при помощи одномерных балочных элементов. Далее для детального анализа узла соединения двух балок выполнена твердотельная модель. Нагрузки приложены к центральному узлу на концах двутавровой балки. При этом жесткие связи создаются между центральным узлом и каждым из узлов на концах балки. Такой подход дает равномерное распределение усилий на конце балки твердотельной модели. Болт моделируется при помощи жесткого элемента. Между соединительными плитами устанавливается общий контакт.

Напряжение твердотельного элемента по Мизесу на стыковом соединении двутавровой балки

Прогрессирующие пластические деформации материала вокруг болтовых отверстий при стыковом соединении двутавровой балки.

Прогрессирующее пластические деформации материала при стыковом соединении двутавровой балки

midas FEA NX

Скачайте демо-версию midas FEA NX

Начните пользоваться уже сегодня! После скачивания демо-версии
вам будут доступны обучающие материалы по началу работы.