Obliczanie wytrzymałości elementów przy zastosowaniu FEA

    Opisano tu trzy podstawowe kroki, których celem jest szybkie i łatwe modelowanie (przy użyciu oprogramowania ALGOR FEA) dużej, płaskiej powierzchni z niewielką liczbą podpór, wystawionej na działanie wiatrów o zmiennej sile

    Pracuję na stanowisku inżyniera budowlanego w firmie Anchor Industries Inc., która już od ponad stu lat jest czołowym producentem namiotów, a także innych lekkich budynków i obiektów. Dysponując dogłębną znajomością licznych rynków, chcieliśmy powrócić na obszar zamówień wojskowych, dotyczących Osłon do Obsługi Pojazdów (VMS).

    Całkowicie zmontowany VMS przechowuje i chroni pojazdy wojskowe, a także stanowi schronienie dla zatrudnionego przy nim personelu w ekstremalnych warunkach pogodowych. Może on też być użyty w charakterze ruchomego punktu dowodzenia i jako miejsce krótkotrwałego zakwaterowania dla oddziałów wojskowych.

    Pierwszy zaprojektowany przez nas VMS sprzed kilku lat miał zbyt wysoką cenę jak na dzisiejszy rynek. Obecnie już przerwaliśmy prace nad nim. Potrzebowaliśmy projektu, który byłby bardziej konkurencyjnym, skutecznym i zoptymalizowanym schronem. Na podstawie doświadczeń z przeszłości wiedziałem, że jestem w stanie przygotować model szybko i tanio oraz sprawdzić koncepcję VMS przy zastosowaniu oprogramowania pracującego na zasadzie metody analizy elementów skończonych (MES – ang. FEA), więc zdecydowałem się na użycie oprogramowania ALGOR FEA do zaprojektowania nowego VMS dla potrzeb Armii Stanów Zjednoczonych.

    W tym artykule opiszę trzy etapy tworzenia modelu i sprawdzenia jego budowy.

    Krok 1: Budowa modelu

    Dzięki oprogramowaniu ALGOR stworzyłem model FEA w oparciu o istniejące kształty. Rama składała się z dwóch części: łuków (podpory i więźby) oraz poziomych belek w konstrukcji dachu (poziome belki łączące łuki i podpierające tkaninę). Zdefiniowałem łuki i belki poziome jako elementy belkowe o długości od 30,48 do 60,96 cm. Stworzyłem model tkaniny na ściany i dach, stosując elementy membranowe. Użyłem siatki prostokątnej na dolnych krawędziach pokrycia i siatki trójkątnej dla najwyższych punktów krawędzi oraz określiłem pokrycie całości jako tkaninę powleczoną winylem o grubości 0,51 mm. Ze względu na to, że węzły są punktami o krytycznych naprężeniach, użyłem krótszych elementów, aby prawidłowo modelować zarówno węzły podpór, jak i belek dachowych. Kompletny model zawierał około 1200 elementów membranowych dla pokrycia i 600 elementów belkowych dla ramy.

    Krok 2: Definiowanie i symulacja obciążeń

    Mając już zbudowany wstępny model FEA, przystąpiłem do definiowania obciążeń. Nośność użyteczna, stanowiąca podwieszone akcesoria wewnątrz konstrukcji, była niezmienną siłą 445N, przyłożoną w środku każdej krokwi i w punkcie szczytowym, dając łącznie ponad 4kN. Następnie zastosowałem obciążenie spowodowane wiatrem (333,5 N/m2) i śniegiem (478,7 N/m2), przyłożone pionowo na dach. Zastosowałem dla modelu pięć różnych kombinacji obciążeń, włączając w to trzy różne obciążenia spowodowane wiatrem, jedno obciążenie spowodowane śniegiem i jedną kombinację obciążenia przez wiatr i nośności użytecznej. Parametry podłoża były ustalone przy założeniu warunków granicznych.

    Następnie zastosowałem oprogramowanie ALGOR Symulacja Zdarzeń Mechanicznych (MES), aby dokładnie przedstawić ugięcie tkaniny i nieliniowe skutki dla kabli o przekroju X, które zostały włączone do koncepcji. Pomimo, że siły miały stałe wartości, każde obciążenie składało się ze zsynchronizowanych zdarzeń, trwających 20 sekund. W tych zdarzeniach była jedna sekunda spoczynku, podczas której wstępne naprężenie kabli X rozchodziło się po nich, następnie 17 sekund, podczas których obciążenie zwiększało się i na końcu znowu 2 sekundy spoczynku. Czas spoczynku umożliwiał ustalenie się stanu modelu po chwilowych obciążeniach.

    Krok 3: Weryfikacja modelu

    Po kilku iteracjach projektu zbudowałem prototyp konstrukcji. W celu weryfikacji wyników analizy, dokonanej przez ALGOR, przyłożyłem obciążenie 1068,3 N do węzłów belek dachowych, stanowiących najwrażliwszy punkt projektu konstrukcji. Przedtem ręcznie przeliczyłem to obciążenie i zastosowałem je do modelu FEA, aby zweryfikować, czy to powoduje naprężenia nieco przekraczające którąkolwiek kombinację uprzednio sprawdzoną w programie ALGOR. W najgorszym przypadku obciążenia śniegiem węzły belek dachowych zbliżały się do wartości granicznych. Bardzo byłem ciekawy, czy węzły zachowywały się tak, jak to przewidziało oprogramowanie FEA i stwierdziłem, że wyniki podane przez ten program były prawidłowe.

    Belki, dla których ALGOR wykonał analizę, mogły być znacznie lżejsze niż oczekiwano, co dało 40-procentową redukcję całego ciężaru. Dzięki temu udało się nam otrzymać produkt niezwykle konkurencyjny.

    Autor: Dr RICHARD COOK, Główny Inżynier Budowlany w Anchor Industries