Передовые методы моделирования изогнутых структур в Ризе

Понимание основных принципов моделирования кривой структуры в RISA

Моделирование изогнутых структур в RISA — сложный, но необходимый навык для инженеров, работающих на мостах, куполах, арках или любой геометрии, которая отклоняется от прямых линий. По своей сути RISA-3D и RISAFloor представляют изогнутые элементы через ряд прямых, линейных элементов. Этот подход, известный как сегментированное или граненое приближение, требует тщательного планирования, чтобы сбалансировать точность с вычислительной эффективностью. Фундаментальный принцип прост: чем больше сегментов вы используете для представления кривой, тем ближе модель соответствует истинной геометрии, но за счет увеличения времени решения и сложности модели.

Перед внедрением передовых методов важно понять, как RISA внутренне обрабатывает изогнутую геометрию. RISA изначально не поддерживает непрерывные изогнутые элементы пучка; вместо этого он опирается на прямые элементы пучка, соединенные в узлах. Для элементов оболочки и пластины изогнутые поверхности аппроксимируются плоскими гранями. Это ограничение означает, что инженеры должны сознательно решать уровень уточнения, необходимый для их конкретного анализа. Например, неглубокая арка при равномерной нагрузке может адекватно сходиться с относительно небольшими сегментами, в то время как плотно изогнутый пучок со значительным кручением потребует более тонкой сетки.

Ключевые соображения при запуске кривой модели включают:

• Количество сегментов по сравнению с точностью — удвоение числа сегментов примерно в четыре раза увеличивает количество узлов и элементов, увеличивая время выполнения. Разумно начинать с умеренной сегментации и уточнять только там, где градиенты напряжения высоки.
• Расположение узлов — обеспечение того, чтобы узлы лежали точно на теоретической кривой. RISA позволяет точно вводить координаты, но для сложных кривых более надежна импорт геометрии из инструмента CAD.
• Соотношение элементов — для пластинчатых сеток избегайте длинных, тощих граней с высокими соотношениями сторон, так как они снижают точность решения.

Благодаря этим основам инженеры могут приступить к освоению передовых инструментов и рабочих процессов, которые предлагает RISA.

Использование инструментов RISA Arc и Curve Creation

RISA предоставляет специализированные инструменты для оптимизации создания изогнутых геометрий, но многие пользователи недооценивают их полную возможность. Основным инструментом является функция Arc, найденная в панели инструментов моделирования. Этот инструмент позволяет определить дугу, указав ее точку начала, конечную точку и либо радиус, либо среднюю точку. Понимание нюансов этих параметров имеет важное значение.

Использование инструмента Arc для лучевых и колоночных центральных линий

Для создания изогнутого луча или колонны:

• Выберите инструмент Arc из панели инструментов (часто представленный иконой изогнутой линии).
• Нажмите, чтобы установить точку начала дуги.
• Нажмите, чтобы установить конечную точку. RISA затем попросит радиус или среднюю точку. Если вы выберете радиус, введите положительное значение; отрицательный радиус поворачивает направление дуги.
• После того, как дуга определена, RISA автоматически сетывает ее в прямые сегменты на основе текущих настроек Mesh в Моделирование опций .
• Отрегулируйте свойства дуги (материал, поперечное сечение, условия выпуска) так же, как и любой другой элемент.

Распространенной ошибкой является забывание установить достаточное количество сегментов до создания дуги. Для управления сегментацией перейдите к Моделирование > Моделирование опций > Сетка дуги и установите либо количество сегментов на дугу, либо максимальную длину сегмента. Хорошей отправной точкой для структурных стальных арок является длина сегмента от 12 до 24 дюймов, но это зависит от радиуса кривизны и сложности загрузки.

Преобразование дуг в полилайны для расширенного управления

Иногда автоматическая дуговая сетка не производит желаемого расположения узла, особенно когда вам нужно сопоставить точки от соседних изогнутых элементов. В таких случаях создайте дугу, затем используйте команду Explode (нажмите правой кнопкой мыши на дуге, выберите Explode) для преобразования ее в отдельные прямые сегменты. Затем вы можете вручную перепозиционировать узлы или добавить дополнительные узлы для уточнения геометрии. Это дает вам прямой контроль над узловыми координатами, позволяя вам обеспечивать непрерывность на перекрестках или лучше представлять параболическую или эллиптическую форму путем настройки отдельных конечных точек сегмента.

Создание изогнутых раковин и пластин

Для изогнутых поверхностей, таких как цилиндрические резервуары, купола или арочные мосты, RISA не имеет прямого инструмента «изогнутой пластины». Вместо этого вы должны построить поверхность из нескольких плоских пластин. Наиболее эффективный метод заключается в следующем:

• Определите кривую как ряд точек (например, используя инструмент Point или импортируя координаты).
• Используйте Элементы Генерируемой Пластины команды Генерируемые > Пластины по Контуру или Плат по Оси ].
• Выберите точки, чтобы создать последовательность четырехугольников или треугольников, которые приближаются к кривой.
• Применяйте Mesh Refinement для разделения каждой пластины на более мелкие элементы для лучшего разрешения стресса.

Такой подход утомителен для сложных поверхностей, поэтому часто предпочитают импортировать из САПР. Однако для простых изогнутых панелей, таких как те, что находятся в люке на крыше или изогнутой стене сдвига, ручной метод быстрый и дает вам полный контроль над плотностью сетки.

Расширенные стратегии сегментации для точности и конвергенции

Сегментация является основой криволинейного моделирования в RISA. Настройки по умолчанию могут работать для предварительного анализа, но для окончательной проверки дизайна и кода вам нужно оптимизировать распределение сегментов. Это выходит за рамки простого увеличения числа сегментов; это включает адаптивную сегментацию на основе кривизны и загрузки.

RISAУточнить команду (доступна в меню ][[FLT:]][[FLT:]][[FLT:]]][[FLT:]][[FLT:]]][[FLT:]][[FLT:]]][[FLT:]][[FLT:]]][[FLT:]][[FLT:]][[FLT:]]][[FLT:]][[FLT:]][[FLT:]][[FLT:]][[FLT:]][[FLT:]]][[FLT:]][[FLT:]][[FLT:]][[FLT:]][[

• Выберите изогнутый элемент(ы).
• Выбирайте и нажмите на правую сторону (FLT:0) и уточните .
• Введите количество делений одинаковой длины, которое вы хотите добавить (например, уточните каждый существующий сегмент на 2 или 4 части).
• Новосозданные узлы будут располагаться точно вдоль исходной прямой, поэтому для изогнутых элементов вы должны уже определить дугу с достаточным количеством начальных сегментов, чтобы сохранить кривизну после уточнения.

Альтернативный подход: вместо использования Refine на модели прямого сегмента вы можете создать полилин с большим количеством точек вперед, используя функцию Разделяй полилин при импорте из DXF. Это дает вам более плавную кривизну с самого начала.

Методы сетки для точности FEA на изогнутых поверхностях

При использовании элементов оболочки или пластин для моделирования изогнутых поверхностей качество сетки напрямую влияет на точность результатов напряжения, особенно вблизи областей концентрации напряжения (например, вырезов, опор или изменений кривизны). Расширенные методы сетки в RISA включают использование элементов более высокого порядка, алгоритмы сглаживания и сопряженный анализ.

Выбор правильного типа элемента

RISA-3D предлагает четырехузловые четырехугольные (Q4) и трехузловые (T3) элементы оболочки. Для изогнутых поверхностей элементы Q4 предпочтительны, поскольку они менее жесткие в сдвигах и изгибах по сравнению с элементами T3, которые являются треугольниками с постоянным напряжением и имеют тенденцию быть чрезмерно жесткими. Однако в областях высокой кривизны или сложной геометрии для сетки может потребоваться смесь Q4 и нескольких элементов T3. Избегайте использования элементов T3, если они не принуждены, и если они используются, обеспечить тонкую сетку в этой области.

RISA изначально не поддерживает элементы более высокого порядка (квадратичные), такие как 8-узловые четырехугольники. Чтобы приблизиться к поведению более высокого порядка, вы должны уточнить сетку. Хорошее эмпирическое правило: используйте по крайней мере четыре элемента Q4 по кривому пролету, чтобы адекватно улавливать гибкие напряжения.

Сетчатое сглаживание и контроль соотношений сторон

Неправильные формы сетки вызывают численные ошибки. Функция RISA Auto Mesh включает алгоритм сглаживания (доступен в Mesh > Auto Mesh > Settings. Включить Laplacian smoothing для перепозиционирования внутренних узлов для получения более равносторонних элементов. Также, установить целевое соотношение сторон (например, 4:1 максимум) — RISA будет маркировать элементы, превышающие это соотношение. Ручно регулировать узлы в проблемных областях или перемешивать с различными точками семени.

Для импортированных изогнутых поверхностей обычно получают граненые сетки из CAD с плохими соотношениями сторон. Используйте команду RISA Remesh Selected Plates для восстановления сетки с лучшим качеством. Вы также можете использовать инструмент Split Plate для ручного деления большого четырехугольника на более мелкие, обеспечивая новые края после кривизны.

Местное сетчатое рафинирование вокруг стрессовых регионов

Для изогнутой оболочки, такой как купол или арочная мостовая палуба, градиенты напряжения обычно самые высокие на опорах и на короне. Используйте технику предвзятости: создайте более тонкую сетку вблизи этих областей, рисуя вспомогательные линии или используя точечные нагрузки в качестве «семян» для сетки. В RISA вы также можете применять элементы управления плотностью сетки, выбирая только пластины в критической зоне и используя команду Refine Plates (которая подразделяет каждую пластину на четыре). Это позволяет избежать равномерной тонкой сетки по всей поверхности, экономя вычислительные ресурсы.

Импорт сложной кривой геометрии из CAD

Для структур с двойной кривизной, неоднородной рациональной базисной сплинированной поверхностью (NURBS) или параметрическими формами ручное моделирование в RISA становится непрактичным.Наиболее эффективным рабочим процессом является создание геометрии в специальном инструменте CAD или BIM, таком как Rhino, AutoCAD, Revit или Tekla, а затем импорт в RISA через формат DXF или IFC.

Оптимальная подготовка модели САПР для импорта RISA

Качество импорта сильно зависит от того, как готовится модель САПР. Следуйте этим рекомендациям:

• Используют линии и полилины для каркасных членов: RISA импортируют линейку DXF в качестве членов. Убедитесь, что кривые вычерчены в виде полилинов с достаточным количеством вершин (сегментов). Используйте команду Разделяйте в CAD, чтобы добавить вершины вдоль кривых перед экспортом.
• Для пластин: Нарисуйте поверхности в виде 3D-лиц (в AutoCAD) или закрытых полилинов, которые будут преобразованы в пластины. RISA автоматически сольет эти поверхности во время импорта, если вы используете Импорт 3D-лиц в качестве пластин опция.
• Назначение слоя: Назначение отдельных слоев для балок, колонн, пластин и нагрузок. RISA может отображать слои на свойства члена / пластины во время импорта.
• Координатная система: Используйте единую глобальную систему координат (обычно происхождение при (0,0,0)) во избежание ошибок масштабирования или перевода. Избегайте использования блоков или внешних ссылок в DXF — сплющивайте всю геометрию.

Импорт и последующее производство в RISA

После импорта всегда запускайте команду Проверяйте геометрию, чтобы идентифицировать перекрывающиеся элементы, зазоры или дублирующие узлы. Для изогнутых поверхностей вы можете обнаружить, что импортные пластины слегка отключены — используйте Узлы слияния (с допуском 0,01 до 0,1 дюйма) для их соединения. Затем используйте команду Auto Mesh для разделения импортируемых пластин на более однородную сетку для анализа. См. RISA Официальная документация для подробных настроек импорта.

Для очень сложных форм рассмотрите возможность использования API RISA (RISA-3D API) для программного создания модели из данных, экспортируемых из параметрического инструмента проектирования, такого как Grasshopper. Это расширенный рабочий процесс, но предлагает максимальную гибкость для адаптивной геометрии.

Экспорт моделей RISA для проверки и сотрудничества

Иногда моделирование изогнутых структур выигрывает от экспорта модели RISA в более продвинутый пакет конечных элементов (например, SAP2000, ANSYS или Abaqus) для детального анализа напряжения или в инструмент BIM для изготовления и координации. RISA поддерживает экспорт в форматы DXF, CIS/2 и IFC. Для изогнутых членов имейте в виду, что RISA будет экспортировать сегментированное приближение, а не истинную кривую. Если принимающее программное обеспечение поддерживает изогнутые лучи (например, некоторые пакеты CAD), вам могут потребоваться дополнительные шаги для регенерации кривой из координат узла.

При экспорте для проверки кода или проектирования соединения убедитесь, что координаты узла точны. Используйте функцию RISA Export to Excel для создания таблицы совместных координат и подключения, которая затем может быть импортирована в пользовательские скрипты для генерации параметрических моделей в других инструментах.

Пример практического рабочего процесса: моделирование изогнутого стального арочного моста

Чтобы связать все эти методы вместе, рассмотрим типичный стальной арочный мост с круговым радиусом 150 футов и пролетом 300 футов. Арка представляет собой трубчатую секцию (HSS20x20x0.5). Желаемая уточнение модели: 12 сегментов на пол-арки (всего 24 для всей арки).

1. В RISA, установить Модельные опции > Arc Meshing до 12 сегментов на дугу.
2. Нарисуйте левую половину арки с помощью инструмента Arc от начала (0,0,0) до коронки (150,150,75) с радиусом 150 футов. Повторите для правой половины.
3. Назначьте раздел HSS20x20 на обе арки.
4. Добавьте боковую крепление между двумя арками — это прямые члены.
5. Проверить отклонение: если отклонение по вертикали в короне находится в пределах допуска, дальнейшее уточнение может не потребоваться.
6. Для палубы создайте серию прямых балок пола, проходящих между арками, затем добавьте бетонную палубу, смоделированную как элементы оболочки. Используйте Генерирующие пластины по Контуру, чтобы создать изогнутую поверхность палубы после профиля арки.
7. Уточнить палубную сетку: использовать Уточнить пластины вокруг опор для захвата локальных напряжений.
8. Проведите исследование сходимости сетки, увеличив сегменты арки до 18 и проверив, изменяется ли максимальный момент изгиба менее чем на 3%. Если нет, примите модель 24-го сегмента.

Этот структурированный подход обеспечивает точные результаты без чрезмерного времени выполнения.

Обычные подводные камни и как их избежать

Даже опытные инженеры допускают ошибки при моделировании кривых в RISA.

• Разъединенные узлы на пересечениях арки: Всегда используйте команду Слияние узлов после создания дуг, которые встречаются в общей точке. Крошечный зазор вызовет механизм.
• Использование слишком малого количества сегментов для торсиона: Изогнутые элементы под торсионом требуют более тонкой сетки, потому что торсионное деформирование не захватывается простыми элементами луча. Увеличьте сегменты по крайней мере до 8 на 90-градусный поворот.
• Игнорирование эффектов p-дельты — для стройных изогнутых арок, позволяет P-дельта-анализу (большое смещение) захватывать эффекты второго порядка.
• Импорт сплайнов в виде одиночных полилайнов — 3D-сплайн, импортируемый в виде полилайна, может иметь сотни крошечных сегментов, которые делают модель громоздкой. Упростите, уменьшив вершины с помощью команды CADУпростите перед импортом.

Для дальнейшего чтения обратитесь к RISA 3D Tutorials и Structure Magazine для тематических исследований по дизайну изогнутых мостов.

Заключение

Моделирование изогнутых структур в RISA - это смесь искусства и науки. Овладев дуговыми инструментами, понимая компромиссы сегментации, применяя передовые методы сетки и используя импорт / экспорт САПР, вы можете создавать модели, которые являются точными и вычислительно эффективными. Методы, подробно описанные здесь - от сегментации на основе кривизны до исследований конвергенции сетки - помогут вам с уверенностью решать сложные геометрии, будь то проектирование арки ориентира, винтовой лестницы или изогнутой крыши стадиона. Как и в любом анализе конечных элементов, всегда проверяйте свою модель на ручные расчеты или независимые проверки для критических структур. С практикой эти передовые подходы станут второй природой, повышая качество и надежность ваших структурных конструкций.