Zastępczy model MES połączenia stalowego

Połączenia analizowane w rozszerzeniu Połączenia stalowe wykorzystują do obliczeń tak zwany Zamienny Model ES połączenia stalowego ( podmodel ). Model ten jest tworzony zgodnie z modelem topologicznym połączenia stalowego. Poszczególne komponenty, takie jak płyty, spoiny lub śruby, są reprezentowane w tym modelu przez podstawowe obiekty ES - powierzchnie lub pręty - uzupełnione przez specjalne obiekty, takie jak kontakty międzypowierzchniowe lub połączenia sztywne. Takie podejście umożliwia porównanie zachowania się tych podstawowych elementów ze wzorami analitycznymi dostępnymi w normach obliczeniowych. Za pomocą podmodelu można analizować nośność i wyboczenie, a także sztywność i zdolność połączenia stalowego na odkształcenia.

Wymiary podmodelu są określane proporcjonalnie do rozmiaru przekroju łączonych prętów. Pręty modelowane za pomocą powierzchni 2D są przedłużane w kierunku od przecięcia linii środkowych o długość odpowiadającą domyślnie 1,5-krotności największego wymiaru przekroju pręta. Odległość ta jest mierzona od najdalszej użytej składowej.

W tym podmodelu koniec dołączonego pręta jest podparty przez sztywną podporę lub obciążony obciążeniem zastępczym obliczonym w globalnym modelu konstrukcji, w zależności od ustawień użytkownika. Obciążenie na końcach prętów jest dostosowywane w taki sposób, aby jego oddziaływanie odpowiadało siłom wewnętrznym działającym na dany pręt w węźle, do którego dane połączenie jest przypisane. Końce pręta są usztywnione sztywną płytą, aby zapobiec deplanacji przekroju i koncentracji naprężeń w obciążonym lub podpartym węźle.

W modelu ES podmodelu do obliczania wytrzymałości granicznej domyślnie stosowana jest liniowa analiza geometryczna wraz z nieliniowym modelem materiałowym. Do analizy nieliniowości modelu zastosowano metodę iteracyjną Newtona-Raphsona. Jako domyślne ustawienie dla analizy statyczno-wytrzymałościowej w przypadku oceny wyboczenia stosowana jest nieliniowa analiza drugiego rzędu (P-Δ), natomiast do analizy stateczności stosowana jest liniowa metoda wartości własnych. Więcej informacji można znaleźć w rozdziale Ustawienia analizy statycznej instrukcji obsługi programu RFEM.

Model materiałowy

Powierzchnie reprezentujące blachy prętowe i wstawione blachy w "Podmodelu" mają jednakową grubość z przypisanym izotropowym plastycznym modelem materiałowym. Hipoteza zniszczenia naprężeniowego opiera się na kryterium uplastycznienia von Misesa. Wykorzystywany jest wykres bilinearny. Materiał zachowuje sprężystość do momentu osiągnięcia granicy plastyczności. Moduł sprężystości odpowiada stali; w późniejszej fazie plastycznej moduł plastyczności odpowiada 1/1000 modułu sprężystości.

Kryterium określania wytrzymałości granicznej odpowiada 5% równoważnemu odkształceniu plastycznemu von Misesa. Wartość ta jest zalecana, ale użytkownik może ją zmienić. Wytrzymałość graniczna określona przez graniczne odkształcenia plastyczne umożliwia wykorzystanie zachowania plastycznego stali i redystrybucji sił wewnętrznych w połączeniu. Odpowiada to rzeczywistemu zachowaniu połączenia stalowego.

Pręty i płyty

Do modelowania płaskich płyt prętowych i wstawianych płyt stosuje się geometrię typu "Płaszczyzna" i typ sztywności "Standardowa". Powierzchnie mają jednakową grubość z przypisanym izotropowym plastycznym modelem materiałowym, który jest opisany w rozdziale Model materiałowy. Powierzchnia jest obiektem 2D, który znajduje się w płaszczyźnie środkowej płyty. Jeżeli poszczególnych blach pręta nie można połączyć bezpośrednio za pomocą linii granicznych, połączenie jest tworzone za pomocą Połączenia sztywne. Połączenie sztywne "Linia do linii" łączy linię graniczną połączonej płyty prętowej ze zintegrowaną linią utworzoną w płycie prętowej, z którą jest ona połączona. Połączenie to jest stosowane na przykład w przypadku dwuteowników.

Pręty lub ich części z powierzchni niepłaskich, takich jak okrągłe profile zamknięte lub zaokrąglone prostokątne profile zamknięte, są modelowane poprzez podział przekroju zakrzywionego na mniejsze powierzchnie płaskie. Powierzchnie te mają takie same właściwości jak powierzchnie używane dla płyt płaskich. Poziom segmentacji może zostać zmieniony przez użytkownika.

Siatka

Ustawienia siatki dla wszystkich powierzchni mają kształt elementów skończonych ustawiony na trójkąty i czworokąty z zastosowaną opcją "Takie same kwadraty tam, gdzie to możliwe".

Blachy prętowe każdego pręta mają ten sam rozmiar elementu siatki. Domyślnie ustawiona jest minimalna i maksymalna wielkość elementu. Rozmiar elementu siatki wynika z rozmiaru przekroju pręta. Najdłuższa krawędź przekroju jest domyślnie podzielona na osiem części. Siatka siatki wstawianych płyt jest obsługiwana osobno: Rozmiar elementu siatki obliczany jest od najdłuższej krawędzi arkusza. W przypadku płyty bez śrub domyślnie utworzonych jest osiem elementów na dłuższej krawędzi; w przypadku płyty połączonej śrubami domyślnie 16 elementów.

W przypadku śrub węzłowe zagęszczenie siatki kołowe jest stosowane tylko na powierzchniach w przypadku płyt skręcanych śrubami. W przypadku tego zagęszczenia węzła kołowego można zadać promień jako wielokrotność promienia otworu na śrubę, a także liczbę elementów na krawędzi otworu.

W przypadku powierzchni zastępczej spoiny pachwinowej można określić maksymalną liczbę elementów na długości spoiny oraz minimalną i maksymalną wielkość elementów.

Węzły siatki są połączone z połączonymi liniami lub powierzchniami za pomocą sztywnych połączeń i na powierzchni. Ma to wpływ na siatkę siatki łączonej powierzchni, przez co jej dyskretyzacja nie jest całkowicie niezależna.

śruby

Model śruby składa się z układu prętów, powierzchni i kontaktów międzypowierzchniowych, które reprezentują poszczególne części śruby, trzpienia, łba i nakrętki. Dla każdej śruby w płytach skręcanych jest przygotowany otwór.

Otwór w płycie jest wypełniony promieniście ułożonymi prętami, zwanymi "szprychami". Pręty te, typu "Belka", służą do przenoszenia ścinania między trzpieniem śruby a płytą. Na liczbę tych prętów wpływa ustawienie siatki, odpowiadające liczbie elementów na krawędzi otworu. Przekrój tych prętów to „masywny profil prostokątny”, a na jego wymiary wpływają liczba prętów oraz wymiary płyt przykręcanych śrubami i odpowiadają polu przekroju docisku śruby.

W węźle, w którym pręty są połączone z płytą, przypisany jest przegub prętowy. Przegub jest ustawiony w taki sposób, że pręty nie wzmacniają otworu w płycie i przenoszą jedynie ścinanie między płytą a śrubą.

W prętach szprychowych występuje nieliniowość "Uszkodzenie w przypadku rozciągania", która umożliwia oddziaływanie tylko ściskanej części śruby. Przypisywany jest do nich izotropowy materiał liniowo sprężysty odpowiadający stali w stanie sprężystym.

Model łba śruby i nakrętki również wykorzystuje zbiór prętów promieniowych („szprych”), tak jak w przypadku otworu w płycie. Pręty te różnią się jednak wymiarami przekroju, dlatego stanowią one wysokość łba śruby lub nakrętki. Ponadto nie są przypisywane przeguby na końcach pręta ani nieliniowość zniszczenia. Ten zespół prętów jest przedłużony przez powierzchnię w kształcie pierścienia, która łączy się z promieniowo rozmieszczonymi szprychami. W przypadku powierzchni stosuje się geometrię typu "Płaszczyzna" i typ sztywności "Standardowa", o jednakowej grubości odpowiadającej wysokości łba śruby lub nakrętki.

Środki promieniowego układu prętów reprezentujących łeb śruby, śrubę w otworze oraz nakrętkę śruby są połączone prętem przedstawiającym trzpień śruby i gwint. Przydzielony jest do niego typ pręta "Belka" i określa się go mianem trzonu. Pręt trzpieniowy ma okrągły przekrój poprzeczny, którego pole odpowiada powierzchni gwintu śruby. Materiał przekroju jest izotropowy liniowo sprężysty.

W przekroju pomiędzy blachami stosowany jest typ pręta "Sztywność definiowalna". Macierz sztywności odpowiada prętowi zastosowanemu pomiędzy łbem śruby (nakrętką) a przykręconą śrubą; jedyną różnicą jest znacznie zwiększona sztywność na zginanie. Gdyby sztywność nie została skorygowana, doszłoby do nierealistycznego zginania śruby w punkcie, w którym siły są w rzeczywistości przenoszone wyłącznie przez ścinanie. Zachowanie plastyczne tej części trzpienia jest odwzorowane przez przegub prętowy na styku blach. Warunki zwolnienia są stałe we wszystkich stopniach swobody z wyjątkiem obrotu osiowego i kierunku osiowego, które są przydzielane za pomocą nieliniowości typu 'Wykres'. Ta nieliniowość jest równoważna bilinearnemu zachowaniu plastycznemu materiału trzonu śruby.

Siły ściskające powstające na styku blach oraz pomiędzy blachami a łbem śruby lub nakrętki są przenoszone 000081 styki międzypowierzchniowe]]. Są one umieszczone między powierzchnią pierścienia łba śruby a powierzchnią stanowiącą pierwszą blachę śrubową, pomiędzy poszczególnymi blachami stykającymi się (w przypadku połączeń wielokrotnych może być więcej blach) oraz między powierzchnią stanowiącą ostatniej przykręconej płyty i pierścienia nakrętki. Typ kontaktu między powierzchniami jest ustawiony jako "Uszkodzenie pod wpływem rozciągania" w kierunku prostopadłym do powierzchni oraz "Tarcie sztywne" w kontakcie równoległym do powierzchni. Tutaj współczynnik tarcia jest ustawiony na wartość bliską zeru. Kontakty te umożliwiają wygenerowanie prawidłowej siły rozciągającej na trzonie śruby.

Obliczeniowa siła rozciągająca i obliczeniowa siła tnąca jako wynik wewnętrznych sił tnących w kierunkach y i z, użytych do sprawdzenia obliczeń, powstają na trzonie pomiędzy blachami skręcanymi śrubami.

Liczby na rysunku powyżej oznaczają następujące elementy:

Spoiny

Model spoin czołowych z pełnym otworem wykorzystuje bezpośrednie połączenie między spawanymi płytami. Są to połączenia sztywne typu 'Linia-do-linii'. Połączenie jest podobne do połączenia między płytami prętowymi. Ten typ połączenia sztywnego wykorzystuje opcje "Rozkład zdefiniowany przez użytkownika" oraz "Ignoruj położenie względne".

Model spoin pachwinowych wykorzystuje również układ sztywnych połączeń (patrz na rysunku poniżej) z zastępczymi powierzchniami (patrz na poniższym rysunku).

Typ połączenia sztywnego to "Linia do linii" z zastosowanymi opcjami "Rozkład zdefiniowany przez użytkownika" i "Ignoruj położenie względne", łączący krawędź blachy łączącej z krawędzią zastępczej powierzchni spoiny oraz drugą krawędzią połączenia sztywnego zastąp powierzchnię płytą odniesienia. Powierzchnia zastępcza znajduje się w połowie wysokości trójkątnego przekroju spoiny pachwinowej. Wysokość ta jest nazywana „grubością spoiny” spoiny pachwinowej. Powierzchnia zastępcza spoiny pachwinowej ma sztywność typu „Standardowa” i jednakową grubość o wymiarach odpowiadających grubości spoiny. Zastosowano model ortotropowy plastyczny.

Model materiałowy jest dostosowany do zachowania spoiny uwzględnionego w normach. Oznacza to, że tylko naprężenia odpowiadają składowym naprężenia w spoinie σ_⊥, τ_⊥ i τ||powstają na powierzchni zastępczej. W pozostałych kierunkach naprężeń sztywność powierzchni zastępczej jest bliska zeru.

obliczenia wyboczenia

Metoda zastępczego modelu ES połączenia stalowego jest również odpowiednia do oceny wyboczenia płyty stalowej za pomocą analizy ES modelu powłokowego. W tym celu, model wykorzystywany do analizy statycznej jest dostosowywany w taki sposób, że ostatecznie zostaje zastosowany Model zastępczy ES wyboczenia połączenia stalowego ( submodel wyboczeniowy ).

Zmodyfikowane ustawienia podmodelu wyboczenia są następujące:

• Wszystkie użyte materiały są ustawione jako sprężyste (materiał pręta i płyty, wszystkie części modelu śruby, powierzchnia zastępcza spoiny).
• Model jest obciążony na końcach przez wymuszone odkształcenia węzłowe zamiast sił z globalnej konstrukcji modelu. Odkształcenia te są równoważne obciążeniom węzłowym, ale ich zastosowanie zapewni, że wolne końce pręta nie wpłyną negatywnie na wyniki analizy stateczności.
• Podmodel podmodelu wyboczenia używa domyślnie typu analizy "Drugiego rzędu (P-Δ)" do analizy statycznej oraz "Metody wartości własnych (liniowa)" z czterema najniższymi wartościami własnymi do analizy stateczności.

Po zakończeniu obliczeń model zapewnia wymaganą liczbę wartości własnych z każdym współczynnikiem obciążenia krytycznego. Użytkownik musi ocenić, czy stateczność połączenia stalowego jest wystarczająca.

Analiza sztywności

Do określenia sztywności połączenia wykorzystywane są dwa podmodele. Są to główny Model zastępczego modelu sztywności ES połączenia stalowego ( Podmodel sztywności ) - szczegółowy model powłoki, który jest, z wyjątkiem obciążeń i podpór, identyczny z podmodelem użytym do analizy statycznej - oraz Model zastępczej sztywności ES połączenia stalowego ( Pomocniczy podmodel sztywności ), który jest używany do doprecyzowania wyników sztywności połączenia, z uwzględnieniem wpływu odkształceń łączonych prętów.

Parametry obliczeniowe podmodelu sztywności są zarządzane w „Konfiguracji analizy sztywności”. To ustawienie umożliwia wybór "Typu analizy" (geometrycznie liniowa lub drugiego rzędu P-Δ) oraz zdefiniowanie "Maksymalnej liczby iteracji" i "Liczby przyrostów obciążenia". Podobnie jak w przypadku "Konfiguracji stanu granicznego nośności" dla analizy naprężeniowo-odkształceniowej połączenia, można kontrolować rozmiar modelu i ustawienia siatki. Inne parametry modelu są również pobierane z konfiguracji stanu granicznego nośności.

Obciążenia w obu podmodelach (podmodelu sztywności i pomocniczym podmodelu sztywności) odpowiadają sztywności połączenia. Sztywność jest analizowana osobno dla każdego pręta w połączeniu. Analizowany pręt jest obciążony na końcu siłą jednostkową odpowiadającą typowi i kierunkowi badanej sztywności S (S_N+, S_N-, S_My+, S_My-, S_Mz+, S_Mz- ). Pozostałe pręty połączenia mają na końcach sztywne podpory. Wartość obciążenia jednostkowego do określenia "Sztywności początkowej" zależy od wymiaru każdego dołączanego pręta.

Po zakończeniu obliczeń podmodel sztywności jest wykorzystywany do wyznaczenia odkształcenia (obrót lub przemieszczenie) na końcu każdego analizowanego pręta. Odkształcenie uzyskane na podstawie pomocniczego podmodelu sztywności jest odejmowane od tego odkształcenia, aby uwzględnić sztywność dołączonych prętów. Wynikiem jest sztywność połączenia obliczona na podstawie obciążenia i odkształcenia. Na podstawie tej sztywności połączenia można sklasyfikować jako „Przegubowe”, „Półpodatne” lub „Sztywne”.