THE USE OF COMPUTER DYNAMIC SHAPING FOR MODELING OF ENGINEERING STRUCTURES AND BUILDINGS

Cover Page

Abstract


This article analyzes some aspects of the use of variant dynamic shaping for computeraided design of various engineering constructions and buildings. The proposed method is a further development of structural-parametric approach for geometric modeling of technical objects which was developed by scientific school of applied geometry National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kiev Polytechnic Institute».


На нынешнем этапе развития общества одним из перспективных направлений совершенствования различных технических объектов, в том числе инженерных конструкций и сооружений, является широкое применение при их проектировании компьютерных информационных технологий [1]. Данная методология обеспечивает не только улучшение качества создаваемой промышленной продукции, но и снижение затрат при ее изготовлении и эксплуатации. Высокая производительность современных компьютеров и разнообразных их периферийных устройств (цветных графических дисплеев и принтеров, сканеров, видеокамер, сетевых карт и т. д.) позволяют при автоматизированном проектировании реализовывать комплексное компьютерное моделирование. Под данным термином подразумевается разработка и использование компьютерных моделей, которые отражают исследуемый технический объект одновременно в аспектах нескольких дисциплин, например, прочности, конструкции, технологии изготовления, эксплуатации, экономики, экологии и т. д. Во многих указанных случаях в качестве интегрирующей и согласовываю- щей основы для создания промышленной продукции выступают ее геометрические модели. О важности формообразования срединных поверхностей оболочек строительных тонкостенных пространственных конструкций свидетельствуют, например, публикации [2-7]. Главной задачей разработки многих технических объектов считается определение таких их конфигураций, которые наиболее полно удовлетворяют по- ставленным целям и имеющимся ограничениям. Поскольку для сложных изделий выполнение этого задания, как правило, не может быть формализовано в полной мере, то на практике сейчас обычно прибегают к вариантному автоматизированному проектированию. Прогрессивной тенденцией современного компьютерного геометрического моделирования является методология структурно-параметрического формообразования, основные положения которой даны в статье [8]. Дальнейшим ее развитием можно считать динамическое вариантное формообразование с использованием метода полипараметризации [9-10]. На основе имеющихся в приведенных выше литературных источниках материалов изложим предлагаемую методику комплексного компьютерного моделирования инженерных конструкций и сооружений с применением динамического вариантного формообразования. Проиллюстрируем соответствующие приемы, см. рис. 1, на примере сборных железобетонных куполов [3, 4]. а б Рис. 1. Сборные железобетонные купола: а - меридиональная разрезка; б - меридионально-кольцевая разрезка 1 - нижнее опорное кольцо, 2 - верхнее кольцо, 3 - трапециевидная панель В указанных публикациях описан порядок выполнения прочностных расчетов данных сооружений, а также проанализированы некоторые разновидности их конструкции. В качестве меридиональных образующих куполов с круговым основанием могут использоваться дуги окружностей, эллипсов, парабол, отрезки прямых и т. д. Согласно этому создадим следующий кортеж возможных проектных вариантов формы купола (1) где ФК1=СК - сферический, ФК2=ЭК - эллиптический, ФК3=ПК - параболический, ФК4=КК - конический. В соответствии с рис. 1 исследуемые структурные варианты разрезки купола на сборные элементы описываются множеством (2) где РК1=МР - меридиональная разрезка, РК2=МКР - меридионально-кольцевая разрезка. В изданиях [3-5] указывается, что на выбор формы и конструктивных ре- шений купола оказывают влияние не только архитектурные соображения, но и такие технико-экономические требования как соответствие характеру действующих нагрузок, минимальный расход строительных материалов, простота изготовления, транспортирования и монтажа элементов купола и т. д. В работе [5] отмечается, что достижение необходимых показателей качества в процессе возведения зданий, а также при изготовлении на заводах элементов их конструкции, в значительной степени зависит от того, в какой мере принятые проектные решения учитывают реальные производственные условия. Технологичность сборной строительной конструкции заключается в ее приспособленности к имеющимся технологиям и выражается в затратах человеческого труда, машинного времени, материальных и финансовых ресурсов на изготовление, транспортировку и монтаж элементов этой конструкции. Состав приведенных процессов для моделируемого купола определим кортежами (3) где NИК, NТК, NМК - соответственно количество проектных вариантов изготовления, транспортирования и монтажа купола. Согласно структурно-параметрического подхода на основании соотношений (1) … (3) строится комплексная проектная вариантная модель купола в виде показанного на рис. 2 мультиграфа. В данном случае купол К представляется в виде кортежа (4) где К1=ФК, К2=РК, К3=ИК, К4=ТК, К5=МК. При этом каждый элемент множества (4) описывается некоторым вектором параметров (5) где Npij - число параметров j-го варианта i-го элемента. Структурные взаимосвязи между разновидностями n-й и m-й составляющей модели купола К определяются матрицей смежности (6) где Nn и Nn - число вариантов n-й и m-й составляющей, cnrcms?0 при взаимодействии вариантов Кnr и Кms, cnrcms=0 - в противном случае. В результате использования зависимостей (1) … (6) моделируемый купол К представляется как множество его проектных вариантов (7) Поиск элементов кортежа (7), наиболее полно удовлетворяющих проектным условиям, осуществляется как результат проводимой на графе структурно- параметрической оптимизации. При этом дугам графа присваиваются необходимые числовые значения, рассчитанные по определенным зависимостям. Так, например, монтажная технологичность существенно зависит от раз- резки сооружения на монтажные элементы (их габаритов и массы), количества и характера циклов подъема конструкций кранами и т. д. Эффективность строительных работ повышается при сокращении монтажного цикла, который включает в себя время на строповку сборного элемента, подъем на монтажный горизонт, установку и выверку, временное крепление, расстроповку и перемещение грузового крюка с монтажного горизонта до площадки складирования конструкций, постоянное закрепление. Как видим, для получения точной расчетной модели монтажа необходима динамическая геометрическая модель возведения сооружения, которая на основании габаритных и массовых свойств элементов конструкции, а также их монтажных траекторий позволяет довольно точно определять необходимые проектные параметры и характеристики производственного процесса. На рис. 3 показаны фрагменты компьютерного динамического вариантного формообразования срединной поверхности купола с применением меридионально-кольцевой разрезки. Необходимая для этого программа, например в системе Maple, имеет вид: with(plots); p1:=0:p2:=0:p3:=0: # x,y, z координаты центра эллипсоидальной поверхности а б в г Рис. 3. Динамическое геометрическое моделирование купола: а - первая панель; б - первое кольцо; в - построение завершающего кольца; г - окончательный вид модели p4:=20; p5:=20; p6:=7: # x,y,z полуоси эллипсоидальной поверхности cv:=.25: # угол (в радианах) расположения верхнего кольца Ndu:=5: # количество участков (панелей) вдоль параметра u Ndv:=20: # количество участков (панелей) вдоль параметра v Nd:= Ndu*Ndv: # число фреймов # вспомогательные переменные R:=max(abs(p1+p4), abs(p2+p5), abs(p3+p6))+1: opt:=axes=None,view=[-R .. R, -R .. R,-R .. R]: # анимация animate(plot3d,[[p1+p4*cos((Pi/2-cv)*u)*cos(2*Pi*v),p2+p5*cos((Pi/2- cv)*u)*sin(2*Pi*v),p3+p6*sin((Pi/2-cv)*u)],u=floor((i-1)/Ndv)/Ndu..(floor((i- 1)/Ndv)+1)/Ndu,v=(i-1-floor((i-1)/Ndv)*Ndv)/Ndv..(i-floor((i-1)/Ndv)*Ndv)/Ndv, style=patch,grid=[2,2],color=gray,opt],i=1..Nd,frames=Nd,trace=Nd-1); Использование управляющих параметров рассмотренной модели (форма, размеры и положение купола, количество панелей в кольцевом и меридиональном направлении) поясняют комментарии приведенной программы. Таким образом, в данной публикации проанализированы некоторые типовые приемы предлагаемой методики для комплексного компьютерного моделирования инженерных конструкций и сооружений при их автоматизированном проектировании на основании структурно-параметрического подхода с применением динамического вариантного формообразования. Несколько иной подход для формообразования инженерных конструкций и сооружений используется в монографии [11].

S L SHAMBINA

Peoples' Friendship University of Russia, Moscow

Author for correspondence.
Email: shambina_sl@mail.ru
117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

канд. техн. наук, доцент

S G VIRCHENKO

National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kiev Polytechnic Institute», Kiev

Email: servirchenko@gmail.com
03056, Киев, пр. Победы, 37

аспирант

  • Li K. (2004) Osnovy SAPR (CAD/CAM/CAE), SPb.: Piter, 560 p.
  • Krivoshapko S.N., Mamiyeva I.A. (2012) Analiticheskie Poverkhnosti v Arkhitekture Zdanii, Konstruktcii i Izdelii. Moscow: Kn. Dom “LIBROKOM”. 328 p.
  • Lebedeva N.V. (2006) Fermy, Arki, Tonkostennye Prostranstvennye Konstruktcii. М.: Arhitektura – C. 120 p.
  • Mailian R.L., Mailian D.R., Veselev IU.A. (2005) Stroitel’nye Konstruktcii, Rostov n/D.: Feniks. 880 p.
  • Afanasev A.A., Arutiunov S.G., Afonin I.A. i dr. (2002) Tekhnologiia Vozvedeniia Polnosbornykh Zdanii. M.: Izd-vo ASV. 360 p.
  • Krivoshapko, S.N., Shambina, S.L. (2012) Design of developable surfaces and the application of twin-walled developable structures. Serbian Architectural Journal. Vol. 4. No. 3, Belgrad. P. 298—317.
  • Christian A. Bock Hyeng, Emmanuel B. Yamb. (2012) Application of Cyclic Shells in Architecture, Machine Design, and Bionics. International Journal of Modern Engineering Research, Vol. 2, Iss. 3. P. 799—806.
  • Vanin, V.V., Virchenko, G.A. (2009) Vyznachennia ta osnovni polozhennia strukturno-parametrychnogo geometrychnogo modeliuvannia. Geometrychne ta Komp’iuterne Modeliuvanni, Vyp. 23, Kharkiv: KHDUKHT. P. 42—48.
  • Vanin, V.V., Virchenko, S.G., Virchenko, G.I. (2014) Variantne modeliuvannia geometrychnykh ob’ektiv metodom poliparametrizatcii. Problemy Informatciinykh Tekhnologii, No 02 (016), Kherson: KHNTU. P. 76—79.
  • Vanin, V.V., Shambina, S.L, Virchenko, G.I. (2015) Variant computer shell prototyping based on polyparameterization of middle surfaces. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. No 6. P. 3—8.
  • Ivanov V.N. Romanova V.А. (2016) Design of the Forms of Space Structures (Visualization of the Surfaces at MathCad and AutoCad: Monograph, Moscow: Izd-vo ASV. 412 p.

Views

Abstract - 524

PDF (Russian) - 111


Copyright (c) 2017 ШАМБИНА С.Л., ВИРЧЕНКО С.Г.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.