¬аше окно в мир —јѕ–
 
Ќовости —татьи јвторы —обыти€ ¬акансии Ёнциклопеди€ –екламодател€м
—татьи

17 декабр€ 2014

ћоделирование преднапр€жени€ бетонной оболочки атомной электростанции: как это делают с Autodesk Simulation

јнтон ¬асильев, Ќ»÷ Ђ“ензорї

јнтон ¬асильев “ензор

ќт редакции isicad.ru: ¬ этой статье идет речь об оригинальном консалтинговом проекте в сфере инженерного анализа (CAE, computer-aided engineering), инициатором и главным организатором которого не случайно стала компани€ ѕќ»Ќ“. ƒостаточно вспомнить, например, обзорную статью сотрудника ѕќ»Ќ“ јнтона Ћобазнова ЂAutodesk Simulation: инженерный анализ набирает оборотыї.

„то касаетс€ компании Autodesk, в последние годы она создала и активно наращивает собственный портфель программных продуктов дл€ инженерного анализа под брендом Autodesk Simulation: сравнительно недавно портал isicad.ru отразил этот процесс, охарактеризованный весной этого года заметкой ƒмитри€ ”шакова ЂAutodesk выходит на рынок композитных материаловї. ” нас пока нет достаточной информации о научно-техническом центре Ђ“ензорї (’арьков), но, суд€ по компетенции представл€ющего эту организацию автора публикуемой ниже статьи, а также по представлению Ђ“ензораї в интернете, это Ц интересна€ команда, с которой, наверн€ка, хотели бы ближе познакомитьс€ читатели нашего портала.

—тать€ јнтона ¬асильева впервые была опубликована на сайте Habrahabr, а предложение о ее воспроизведении на портале isicad.ru поступило от компании Autodesk.

ƒанные о проекте Ђћастера моделировани€ (simulation)ї, приводимые далее, изложены нами на основе публикации на сайте компании ѕќ»Ќ“.

— 1 августа компани€ ѕќ»Ќ“ при поддержке Autodesk и Ђ“ензорї (’арьков) проводит долгосрочный проект Masters of Simulation (мастера моделировани€), относ€щийс€ к области систем инженерного анализа.

¬ основе этого проекта Ц взаимовыгодное консалтинговое взаимодействие, относ€щеес€ к профессиональной постановке и решению задач из области инженерного анализа на основе средств пакета Autodesk Simulation, а именно

— одной стороны в проекте участвуют инженеры-пользователи, с другой Ц эксперты из фирм Ц организаторов проекта.

»нженеры-пользователи предоставл€ют экспертам за€вки, в которые вход€т исходные данные 3D- или 2D-моделей и исходные описани€ задач, а также персональна€ информаци€ и информаци€ об организации, в которой работает инженер-за€витель. ƒалее, по выбору участника, его отношени€ с экспертами могут строитьс€ на (1) коммерческой или (2) некоммерческой основе.

1. ѕлатные консультационные услуги. ≈сли участник хочет увидеть решение своих задач, но, при этом, по тем или иным причинам, не готов публиковать свои задачи и их решени€ в открытом доступе и в маркетинговых материалах, между участником и экспертом-исполнителем заключаетс€ коммерческий договор, в рамках которого осуществл€етс€ дальнейша€ работа эксперта и его взаимодействие с инженером-заказчиком.

2. Ѕесплатное участие ¬ этом случае, участник получает видео и текстовые материалы, в которых описываетс€ решение указанных и сопутствующих задач, а также возникающих проблем. Ёти материалы публикуютс€ онлайн, и ссылки на них пересылаютс€ заказчику. ѕри выборе данного варианта участи€,  омпании ѕќ»Ќ“ и Autodesk смогут использовать полученную информацию (геометрию издели€, постановку задачи, результаты проекта, информацию о заказчике) дл€ открытых публикаций, маркетинговых материалов и пр. “е участники, которые хот€т увидеть решение своих задач, но при этом не хот€т выдавать свои ноу-хау или нарушать услови€ договоров, могут модифицировать исходные данные геометрии и постановки.

¬о всех случа€х, за€вки обрабатываютс€ специалистами в области инженерных расчетов и анализа, а полученные результаты имеют как прикладное, так и образовательно-методологическое значение.

ѕервые результаты проекта Masters of Simulation

— момента старта проекта Masters of Simulation прошло уже несколько мес€цев, и у нас есть уже результаты, которыми хотели бы с вами поделитьс€.

ћы получили достаточно много за€вок и были очень рады тому, что эта наша инициатива нашла живой отклик в умах и сердцах инженеров и конструкторов, молодых аспирантов и уже матЄрых специалистов. «адачи, которые участники проекта прислали нам в своих анкетах, оказались интересными и, порой, очень неординарными. Ѕыл тут и расчет процессов при разрушении конструкций, и расчет композиционных материалов, и высоконелинейные процессы, и многое другое. Ќаибольшее продвижение в решении достигнуто по трем следующим анкетам.

1. «адача: смоделировать преднапр€жени€ Ђкускаї бетонной оболочки с потер€ми на трение и скольжение. јвтор: ћаркевич ћаксим јлександрович.
2. «адача: ћоделирование жесткости линейных направл€ющих и подшипников качени€. ƒл€ анализа жесткости отдельных узлов (мехатронных модулей) станков јвтор: ёсупов Ќаиль ’амитович.
3. «адача: Ќеобходимо получить температурные пол€ и напр€жени€ в многослойной конструкции при воздействии температурного источника и под действием силовой нагрузки. јвтор: ƒолгополова Ќаталь€ ¬ладимировна.

Ќиже в этой публикации мы приводим детальное описание упом€нутого выше решени€ задачи ћ.ј. ћаркевича,

I. Ќесовершенные методики Ц путь к катастрофам. ќсобенно, в св€зи с атомными электростанци€ми

ѕроектирование атомных электростанций (јЁ—) Ц чрезвычайно ответственна€ задача, потому как случаи халатности обход€тс€ слишком дорого дл€ всего человечества. “радиционно такие элементы јЁ—, как внутренн€€ защитна€ оболочка реакторного отделени€, рассчитываютс€ с помощью теории пластин и оболочек. Ёто методика, котора€ позвол€ет получить точный аналитический расчет. Ќо слово Ђточныйї, на самом деле, неплохо бы внести в кавычки, потому что данный расчет выполн€лс€ после проведени€ большого количества упрощений и допущений. “ак, очень часто не учитываетс€ анизотропи€ поведени€ бетона за счет армировани€, упрощенно моделируетс€ факт преднат€жени€ и физическа€ нелинейность в поведении. Ќе говор€ уже о том, что многие особенности геометрии защитной оболочки попросту игнорируютс€: например, вли€ние локальных особенностей на неравномерность распределени€ напр€жений по оболочке и ее толщине. ¬се это обычно исправл€етс€ набором коэффициентов, с помощью которых достигаетс€ избыточна€ прочность от эксплуатационных нагрузок. » в большинстве случаев этого достаточно. ќднако, такой методики может быть не достаточно, и это может привести к катастрофе. » вот тут на первый план выходит необходимость значительно повысить детальность расчетов, учесть ранее отброшенные факторы, использовать более точные методы дл€ выполнени€ задачи, с которыми можно вносить меньше упрощений и идеализаций в конструкцию.  ак следствие Ц требуетс€ более адекватна€ методика дл€ учета подобных эффектов.

≈стественно, в рамках проекта ЂMasters of Simulationї никто не берет на себ€ ответственность за подготовку нового метода расчета и проектировани€ защитной оболочки јЁ—, который сразу пойдет в работу. Ќо в одной из полученных за€вок мы нашли вопросы о принципиальной возможности учета некоторых эффектов такого проектировани€ с помощью линейки Autodesk Simulation. » именно на эти вопросы мы попытались найти более точные ответы. „тобы не просто сказать Ђда, конечної, но и рассказать Ђкак именної.

II. ѕостановка задачи

 ак уже упоминалось, исходна€ постановка У—моделировать преднапр€жени€ Ђкускаї оболочки с потер€ми на трение и скольжениеї была описана ћ.ј. ћаркевичем, инженером компании –”ѕ ЂЅелнипиэнергопромї. ’отелось бы поблагодарить ћаксима јлександровича за оперативные ответы на вопросы и про€вленный интерес к решению собственной задачи. Ёто позволило намного глубже проработать задачу.

–ис. 1. »зображение, предоставленное автором задачи дл€ ее по€снени€

“еперь перейдем к более подробному описанию задачи. » начнем с описани€ исследуемой конструкции.

¬нутренн€€ защитна€ оболочка реакторного отделени€ јЁ— выполн€етс€ из предварительно напр€женного монолитного железобетона в форме цилиндра, перекрытого куполом в виде полусферы (рис. 2).

–ис. 2. «ащитна€ оболочка (1 Ц внешн€€ железобетонна€ оболочка; 2 Ц внутренн€€ металлическа€ оболочка)

—истема преднапр€жени€ защитной оболочки (—ѕ«ќ) состоит из арматурных пучков, опорных анкерных блоков, каналообразователей, оборудовани€ дл€ монтажа арматурных пучков, их нат€жени€, системы диагностики арматурного пучка (рис. 3, рис. 4).

–ис. 3. —ечение защитной оболочки вдоль оси

–ис. 4. —ечение защитной оболочки перпендикул€рно оси

ƒл€ предварительного напр€жени€ примен€ютс€ пр€ди канатной арматуры в полиэтиленовой оболочке.  аждый арматурный канат имеет полиэтиленовую оболочку и находитс€ в каналообразователе, заполненном специальным инъектирующим раствором (рис. 5). “аким образом, отсутствует св€зь арматурного пучка с бетоном защитной оболочки. ¬ случае необходимости это позвол€ет обеспечить возможность подт€жки или замены каната.  аналообразователи представл€ют собой металлические трубы и гибкие металлорукава с наружным диаметром не более 219 мм и толщиной пор€дка 3-5 мм.

–ис. 5. —ечение каналообразовател€ и арматурного каната

ќписание арматуры: ѕреднапр€гаема€ арматура (рис. 5) Ц пучки, состо€щие из 55 канатов диаметром 15,7, 17,4-19,4 мм, типа ЌD–≈ со смазкой.  ласс прочности Ц 1860 ћпа. ѕодобна€ арматура производитс€ компанией ЂTrefileuropeї (‘ранци€).

III. ѕодход к решению

“еперь можно плавно перейти к решению поставленной задачи.

Ќачнем с некоторых замечаний и выводов, которые можно сделать на базе имеющейс€ информации.

1. ¬ бетоне основной части защитной оболочки встроены каналообразователи. »х основна€ цель: отделить канаты от бетона и дать возможность нат€гивать эти канаты, создава€ преднапр€женное состо€ние, и замен€ть канаты в случае необходимости.

2.  аналообразователь не обладает особой жесткостью и, следовательно, в первом приближении его, скорее всего, можно не учитывать. Ќо за счет разницы в жесткости материалов каналообразовател€ и бетона он может работать как перераспределитель давлени€ от канатов.

3. ¬ышеупом€нутый (в п. 2) факт нуждаетс€ в проверке.

4.  аналообразователь обладает крайне малой толщиной по сравнению с основными габаритами конструкции, и его моделирование в объемной постановке может привести к задаче очень высокой размерности. ѕоэтому каналообразователь будет выполнен в Autodesk Inventor в виде поверхности, а при  Ё-анализе будет моделироватьс€ plate-элементами в тех задачах, в которых он будет учтен (рис. 6).

–ис. 6.  аналообразователи построены поверхност€ми

5. “акже отдельно необходимо рассмотреть небольшую часть конструкции около каналообразовател€, чтобы увидеть локальное поведение конструкции. Ќа базе этого можно будет делать выводы о необходимости моделировани€ каналообразователей (рис. 7).

–ис. 7. ƒетальна€ объемна€ модель локального сегмента оболочки и каналообразовател€

6. “акже имеет смысл решить задачу о контактном взаимодействии каната и каналообразовател€ в рамках данного локального куска (рис. 7). Ёто позволит лучшим образом подобрать тип контакта и решить вопрос о возможности замены преднапр€женного каната на его силовой аналог.

7. “аким образом, основна€ геометрическа€ модель дл€ базового расчета стала выгл€деть следующим образом (рис. 8). Ёто твердотельна€ объемна€ геометрическа€ модель оболочки (вернее ее части) с пустотами под канаты.  анаты также выполнены в виде объемных элементов.  аналообразователи, как было указано ранее, выполнены в виде поверхностей.

–ис. 8. »сходный вариант части исследуемой конструкции в Inventor

IV. ќперационна€ модель данных и предварительные расчеты

ƒл€ решени€ данной задачи из арсенала расчетных программ Autodesk можно использовать: Autodesk Simulation Mechanical (ASM), Autodesk Nastran In-CAD, Autodesk Sim 360. „асть задачи можно решить и посредством функционала Inventor Professional, вернее, его модул€ Inventor Simulation. ¬ случае положительного решени€ первой части задачи предполагаетс€ развитие в сторону решени€ сопр€женной термо-прочностной задачи, поэтому в качестве базового инструмента дл€ решени€ задачи был выбран ASM.

8. ƒл€ первых расчетов была выбрана сетка по умолчанию, и глобальное сгущение до 30%. ќбщий вид  Ё-сетки показан на рис. 9. ¬ дереве задачи можно увидеть объемные детали и р€д деталей, разбитых на пластинчато-оболочечные элементы (выбраны в дереве).

–ис. 9.  Ё-сетка исходного исследуемого объекта

9. ѕосле проведени€ различных типов контактов дл€ текущей задачи были определены наиболее подход€щие в ASM: ЂSliding/No Separationї и ЂSurfaceї. “ип контакта ЂBondedї, который предлагаетс€ по умолчанию ASM, в данном случае приводит к принципиально неправильному поведению конструкции, т.к. канаты не имеют возможности свободно скользить вдоль каналообразовател€ (как должно быть), а €вл€ютс€ жестко приклеенными по всей поверхности к каналообразователю и бетону.

10. ƒл€ ускорени€ счета в первом приближении будет использоватьс€ тип контакта ЂSliding/No Separationї, в дальнейшем Ц ЂSurfaceї.

11. ¬ цилиндрической части оболочки вертикальные канаты практически не взаимодействуют с каналом, и по сути просто создают сжимающее усилие на концах оболочки по границе отверстий каналообразовател€. ѕри этом наличие вертикальных канатов в модели внос€т очень малую поправку, и на первых шагах их можно исключить из расчетной модели.

12. —ами цементно-арматурные канаты нуждаютс€ в отдельном описании и вычислении их механических свойств. »з-за своей структуры и способа производства стальные канаты (рис. 10) очень хорошо работают на раст€жение, но при этом практически не работают на сжатие. «а счет того, что в текущем случае канаты св€зываютс€ инъектирующим цементным раствором, полученный арматурно-цементный композит получает некоторую сопротивл€емость сжимающим нагрузкам.

–ис. 10. ѕримеры канатов и тросов

Ёта особенность могла бы внести нелинейность в поведение исследуемого объекта, если бы не тот факт, что канаты заливаютс€ цементным раствором в уже предварительно раст€нутом виде.  ак следствие, даже при наличии некоторой сжимающей нагрузки, канаты все еще продолжают находитьс€ в раст€нутом состо€нии, и продолжают работать исключительно на раст€жение. —ледовательно, нелинейными свойствами арматурно-цементного каната можно пренебречь. ќднако, в виду того, что канат работает как единое целое, он, по сути, €вл€етс€ композитом, чьи характеристики завис€т от используемых материалов, но существенно от них отличаютс€. ¬ идеале необходимо провести всесторонние исследовани€ части каната на его работу вдоль всех направлений и вычислить анизотропные характеристики итогового композиционного материала. ќднако на первом шаге можно пренебречь анизотропией свойств, потому что:

  • свойства конструкции будут сильно зависеть от расположени€ канатов, которые могут некоторым образом варьироватьс€,
  • в классических расчетах геометри€ канатов и их свойства вообще никак не учитываютс€, а, следовательно, это уже будет шаг вперед.
¬ данном случае предлагаетс€ провести расчет механических характеристик согласно объемной доле. “ем не менее, в дальнейшем можно порекомендовать более детально рассмотреть поведение именно канатов (рис. 11).

–ис 11. –аспределение напр€жений при осевом сжатии арматурно-цементного каната

13. ÷ементно-арматурные канаты работают в услови€х преднапр€жени€ раст€жением и считаютс€ изотропными по характеристикам материала. »х свойства вычисл€ютс€ по классическим формулам дл€ композиционных материалов:
модуль упругости (≈), коэффициент ѕуассона (v) в зависимости от объема:

14. ƒл€ моделировани€ симметричных граничных условий будет использовано закрепление типа Frictionless (рис. 12) по трем сторонам (две боковины и низ). ƒл€ боковин, таким образом, моделируетс€ поведение, аналогичное наличию плоскости симметрии. ƒл€ нижней стороны необходимо дополнительное исследование относительно корректности типа закреплени€, в виду того, что нижн€€ часть должна иметь возможность совершать плоско-параллельное движение (в полной конструкции).

–ис. 12. √раничные услови€ (закреплени€)

”ровень преднат€га будет задаватьс€ силой (Force) по нормали к торцам каната.

–ис. 13. —иловые услови€

“аким образом, есть р€д упрощений и р€д спорных моментов, которые имеет смысл проверить дополнительно в ходе тестовых расчетов. Ќекоторые из них провер€лись на основе исходной геометрии построенной на базе, переданной заказчиком. ƒл€ некоторых задач строились отдельные модели, ориентированные на проверку того или иного эффекта.

–езультаты тестовых расчетов (различные напр€жени€ и перемещени€) включенным масштабом (10% от габаритов геометрии) показаны ниже на рисунках 14-20.

–ис. 14. —уммарные перемещени€

–ис. 15. ќкружные перемещени€

–ис. 16. –адиальные перемещени€

–ис. 17. Ёквивалентные напр€жени€ по мизесу

–ис. 18. –адиальные напр€жени€

–ис. 19. ќкружные напр€жени€

–ис. 20. —двиговые

јнализ Ќƒ— показывает, что первична€ постановка нуждаетс€ в уточнении. Ћучше всего это продемонстрировать на радиальных перемещени€х с включенной опцией деформации модели в масштабе 40% от габаритов конструкции (рис. 21):

–ис. 21. ƒеформаци€ объекта показана в масштабе

ѕри правильной постановке модель должна практически равномерно сжиматьс€, а не закручиватьс€ относительно центра. ¬ виду того, что закреплени€ абсолютно идентичны с обоих боков, это может свидетельствовать о возникновении существенной неравномерности от нагрузки, котора€ была приложена с одной из сторон. “акже вблизи граничных поверхностей можно наблюдать искажение картины Ќƒ—, вследствие вли€ни€ краевых эффектов.

V. ¬ыводы на основе предварительных расчетов

ƒл€ адекватного решени€ исходной задачи, следует вз€ть больший по габаритам участок оболочки (приблизительно в 3-4 раза) (рис. 22). ¬ этом случае в центральном участке не будут про€вл€тьс€ краевые эффекты.

–ис. 22. ѕредлагаемый к исследованию вариант конструкции

ƒл€ определени€ детального Ќƒ— и уровн€ концентрации напр€жений будет промоделирован локальный участок бетона с канатом. ѕри этом каналообразователь будет моделирован в виде твердотельной геометрии.

ƒл€ компенсации силового перекоса и более симметричной деформации оболочки, имеет смысл приложить силы в шахматном пор€дке с обеих сторон оболочки (рис. 23).

–ис. 23. ѕредлагаемый способ нагружени€

ƒл€ оболочки можно использовать настройку по умолчанию, дл€ канатов и центральной части имеет смысл установить размер сетки (40% от номинала) Ц это позволит сделать сетку сбалансированной с точки зрени€ точности/скорости.

ѕолученные результаты позволили перейти ко второму этапу, в рамках которого будет отточена постановка и получено решение поставленной задачи. ѕри успешном выполнении второго этапа, возможно рассмотрение более сложной задачи, наход€щейс€ в области мультифизики, а именно Ц решение задачи о термонапр€женном состо€нии защитной оболочки с учетом преднат€га и рабочего давлени€.


***

¬ одной из следующих публикаций мы расскажем о работе над вторым проектом Ч моделировании жесткости линейных направл€ющих и подшипников качени€.

Ќапоминаю, что прием за€вок на участие в программе ЂMasters of Simulationї продолжаетс€ и желаю участникам программы успешной.

ѕодробнее о проекте и услови€х участи€.
«аполнить анкету-за€вку на участие.


„итайте также:


¬акансии:

јктуальное обсуждение

RSS-лента комментариев

ƒавид Ћевин
ƒавид Ћевин
ќт редактора: „то такое +20%: Ёффект внедрени€ BIM? –ост выручки ƒассо?...
ѕроект ЂЌародное —јѕ–-интервьюї

—лучайна€ стать€:

isicad Top 10

—амые попул€рные материалы

   ‘орумы isicad:

isicad-2010 isicad-2008
isicad-2006 isicad-2004

ќ проекте

ѕриглашаем публиковать на сайте isicad.ru новости и пресс-релизы о новых решени€х и продуктах, о проводимых меропри€ти€х и другую информацию. јдрес дл€ корреспонденции - info@isicad.ru

ѕроект isicad нацелен на

  • укрепление контактов между разработчиками, поставщиками и потребител€ми промышленных решений в област€х PLM и ERP...
ѕодробнее

»нформаци€ дл€ рекламодателей


¬се права защищены. © 2004-2019 √руппа компаний «Ћ≈ƒј—»

ѕерепечатка материалов сайта допускаетс€ с согласи€ редакции, ссылка на isicad.ru об€зательна.
¬ы можете обратитьс€ к нам по адресу info@isicad.ru.