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
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.
Рисунок 1. Плитная модель стыкового балочного соединения 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 (
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.
Рисунок 3. Работа контактов Welded и Bi-directional Sliding
Нелинейный контакт
Грубый контакт (Rough), общий контакт (General) и контакт с разрывом сварного шва (
Рисунок 4. Работа контактов Rough и General
Также к нелинейным контактам относится контакт разрыва сварного шва (
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.
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.
Соединение внахлест при боковом растягивающем напряжении для соединения двух комплектов сеток КЭ, узлы которых не объединены. В качестве контакта используется сварное соединение.
Полученные в результате расчета напряжения по Мизесу. Масштаб перемещений увеличен для наглядности.
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.
Прогрессирующие пластические деформации материала вокруг болтовых отверстий при стыковом соединении двутавровой балки.
