Собирающие супер-элементы: незаметные, но очень важные

До выхода 21 версии существовало не так много способов создания реалистичных моделей стальных узлов, если не считать IDEA StatiCa. Но по-прежнему иногда бывают случаи, когда напряжения на границах вычисляются не совсем точно и не обеспечивают близкое к реальности поведение элементов. Найти нужный подход к решению этого вопроса было непросто: необходимо было корректно описать работу компонентов как вблизи узла, так и за его пределами, по длине соединяемых элементов.      

Однако, команде разработчиков IDEA StatiCa удалось найти решение. Они расширили модель узла, добавив в неё специальные супер-элементы, которые были названы "собирающими". Они не видны пользователю, но участвуют в построении расчётной модели и решают сложную задачу, ещё больше приближая поведение модели к реальности.  

Теперь концы элементов, отображаемые на 3D виде, не являются границами расчётной модели. В предыдущих версиях все конечные сечения были закреплены, что часто приводило к появлению нереалистичных всплесков напряжений в этих сечениях. Теперь конечные сечения могут испытывать депланацию и деформироваться из плоскости. 

Особенно это заметно в узлах из труб. Теперь результаты показывают лучшую сходимость с экспериментальными данными и нормативными методиками.

С другой стороны, это изменение расчётной модели означает, что пики напряжений, ранее располагавшиеся в конечных сечениях, могут сместиться ближе к узлу. В некоторых случаях соединяемые в узле элементы могут подвергаться воздействию бо́льших сил именно за счёт добавления супер-элементов.  

Три преимущества для пользователя

Улучшение модели за счёт собирающих элементов также привносит положительные эффекты. Теперь корневая часть элемента, которая моделируется пластинчатыми конечными элементами, может быть короче. Основные преимущества от улучшения модели следующие:  

• 30% ускорение расчёта (в среднем)  
• Более быстрая визуализация результатов
• Более точная модель соединений из труб  

Ознакомиться со всеми новыми функциями и улучшениями версии 21 вы можете в статье Новости релиза IDEA StatiCa 21.0.

Изменения в расчёте длины элементов

Наши пользователи привыкли к тому, что длины элементов в расчётной модели вычисляются автоматически. Эти размеры зависят также от типа сечения элемента (открытый / закрытый профиль). 

Теперь коэффициент к длине по умолчанию равен 1,25 для всех типов сечений. Длина собирающих элементов равна 4 высотам сечения для обычного режима расчёта НДС. В силу того, что в расчётах устойчивости нам по-прежнему надо стараться удерживать формы потери в пределах узла, а не по длине элементов, этот же коэффициент к размеру супер-элементов равен 0,5 к высоте сечения в линейном расчёте устойчивости. 

Хотя эти изменения изначально были сделаны для улучшения модели узлов из труб, они также пошли на пользу всем другим типам соединений, ещё больше приблизив их модели к реальности. 

Какие у этого будут последствия, спросите вы? Безусловно, разные версии будут показывать разные результаты, но в большинстве случаев эти отличия не будут превышать и 1%. 

Случаи с бо́льшими различиями требуют отдельного внимания. Именно здесь теория сталкивается с практикой. Эта тема связана с эффектами, вызванными кручением стержней открытого профиля. По ряду причин эти эффекты не учитываются инженерами-конструкторами, а их учёт не реализован в МКЭ приложениях для глобального расчёта.  

Эффекты, связанные с кручением

Это, конечно, не ракетостроение, но некоторые теоретические вопросы лучше всё-таки прояснить:

В зависимости от типа сечения незамкнутого профиля, граничных условий элемента и типа нагрузки согласно гипотезе Власова может наблюдаться один из двух механизмов кручения: 

• Свободное кручение (По Сен-Венану) 
• Смешанное кручение, состоящее из свободного и стеснённого 
  • свободное кручение характеризуется внутренним усилием T_t (крутящий момент при свободном кручении) с результирующими касательными напряжениями τ_t 
  • стеснённое кручение iхарактеризуется внутренним усилием B (бимомент) и T_w (крутящий момент при стеснённом кручении) с результирующими нормальными напряжениями (продольными) σ_w и касательными напряжениями τ_w

В IDEA StatiCa Connection версии 20.1 стеснённое кручение элементов было ограничено многоузловыми объединениями на конце. Эти линейные ограничения использовались для приложения нагрузок к модели. Новые собирающие супер-элементы отодвигают эти узловые объединения дальше от узла вдоль элемента, позволяя ему деформироваться. Это приводит к большему бимоменту, действующему в узле. 

Ниже приводится несколько примеров узлов, где изменения в расчётной модели привели к существенным изменениям в результатах: 

Корневой участок балки под действием крутящего момента

Узел крепления балки на планке с одной стороны

Узел крепления балки к колонне

Когда вы сталкиваетесь с подобными ситуациями, особенно при сравнении результатов от версии к версии, особенно важно помнить об этих отличиях в расчётных моделях. Элементы будут длиннее, а жёсткость соединений ниже. Поэтому различий стоит ожидать и в результатах для других узлов. 

Помните, что у вас всегда есть возможность проверить некоторые параметры модели, чтобы избежать некорректных результатов. В версии 21 как никогда актуальна опция "Равновесие нагрузок". Настоятельно рекомендуем ей пользоваться. 

Часто бывает так, что необходимо проверить модели узлов, созданные в предыдущих версиях программы. В этом случае не стоит забывать о параметрах в настройках норм и расчётов и сбрасывать их по умолчанию, чтобы не валить всё в кучу. 

Однако, если вы хотите на все 100% быть уверены в том, что ваши результаты в IDEA StatiCa 21 будут достоверны, лучше замоделируйте узел именно в 21 версии с нуля.

Если хотите подробнее ознакомиться с теоретическими основами по всем новым функциям версии 21, советуем обратиться к этой статье из базы знаний, тщательно подготовленной нашими специалистами.