Сравнительный анализ напряженного состояния оболочки одинакового ската аналитическим и численными методами
- Авторы: Алёшина О.О.1, Иванов В.Н.1, Кахамарка-Сунига Д.2
-
Учреждения:
- Российский университет дружбы народов
- Католический университет города Куэнки
- Выпуск: Том 18, № 4 (2022)
- Страницы: 375-386
- Раздел: Аналитические и численные методы расчета конструкций
- URL: https://journals.rudn.ru/structural-mechanics/article/view/32746
- DOI: https://doi.org/10.22363/1815-5235-2022-18-4-375-386
- ID: 32746
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Исследование напряженно-деформированного состояния оболочки одинакового ската с эллипсом в основании не получило широкого распространения. Настоящая работа является частью серии статей, посвященных анализу геометрии и напряженного состояния торсов одинакового ската с направляющим эллипсом различными методами при различных нагрузках и условиях опирания. Представлен вывод дифференциальных уравнений равновесия безмоментной теории оболочек для определения внутренних сил в торсе с направляющим эллипсом под действием внутреннего давления. Аналитические результаты сравниваются с результатами, полученными методом конечных элементов (МКЭ) и вариационно-разностным методом (ВРМ). Определены преимущества и недостатки трех методов расчета и установлено, что результаты ВРМ точнее по сравнению с МКЭ, но программное обеспечение на основе МКЭ является более мощным инструментом для выполнения расчета конструкции.
Полный текст
Introduction The present paper is one more of a series of research articles on the study of the geometry and stress-strain state of torses of equal slope with a directrix ellipse by various methods of analysis under different loads and support conditions. To date, the authors have reviewed, analyzed, and drawn conclusions on the tensional state of the torse under the action of a linear uniformly distributed load directed along the generatrix at the upper edge of the shell [1], uniformly distributed load on the middle surface along straight generatrixes [2], and the shell self-weight [3]. The works [1-3] study the problem with simple (movable) supports of the ellipse at the base. The article [4] considers a rigid (fixed) support under the action of self-weight of the torse. A new structure in the shape of a torse of an equal slope is proposed in [5], and new results in geometric studies are shown in [6; 7]. The development of modern technologies and innovative structural design and construction methods is impossible without scientifically based methods of analysis, and research of mathematical and experimental models [8-10]. Along with numerical methods, there are also analytical methods for structures analysis, which engineers use, due to their complexity, only for a narrow class of thin-walled structures and elements [11]. The finite element method (FEM) is a numerical method for calculating the stress-strain state (SSS) of various types of structures. Due to the variety of finite element types and the possibility of modifying their sizes and shapes, this method has undeniable advantages for the analysis of structures of complex shapes, with holes or with stress concentration zones. The paper [12] proposes a method of shell design using triangular finite elements to increase the accuracy of the solutions. The work [13] reports an algorithm developed for strength analysis of large span thin-walled structures in the geometric nonlinear formulation. However, the FEM in comparison with the variational-difference method (VDM) does not consider the external and internal geometry for the determination of the stress-strain state of thin-shell spatial structures of complex shapes with rapidly changing geometrical characteristics [14]. The variational-difference method [15-17], also known as finite-difference energy method (FDEM) [15; 18-20], also belongs to the numerical calculation methods [21]. The VDM allows to consider the geometric parameters of the middle surface of shells for a more accurate determination of the SSS of the thin-shell structures. The history of VDM development begins with Courant's proposal in 1943 [15; 22; 23]. Houbolt in 1958 [18; 24], Griffin and Varga in 1963 [24; 25], Bushnell in 1973, and Brush and Almroth in 1975 [26] continued the development of this method. In the early 2000s Professor V.N. Ivanov and his PhD students developed SHELLVRM, a computer software based on the VDM for determining the SSS of certain types of plates and shells with middle surfaces described by analytical equations [14; 21; 27]. In 2015, Krivoshapko and Ivanov published the encyclopedia [28], where described over 600 analytical surfaces. Among an extensive variety of analytical surfaces, the torse shells of equal slope have a distinctive characteristic of unfolding onto a plane without folds [27]. This class of surfaces is used in many areas of industry [29; 30]. Method Torse shell of equal slope with an ellipse at the base A straight line moving in the normal plane of a flat directrix curve with a constant angle of inclination to the normal plane of the directrix forms a ruled surface of equal slope. The torse surface of equal slope with an ellipse at the base (Figure 1) is formed when the ellipse is set as a flat directrix curve. The basic properties of the surfaces of an equal slope are described in [11; 27]. These surfaces are surfaces of zero Gaussian curvature (K = 0) and also belong to the Monge surfaces [27]. The directrix ellipse is defined by parametric equations [11]: (1) The parameters a and b are the dimensions of the semi-axes of the directrix ellipse, and the parameter is within . Figure 1. Torse shell of equal slope with an ellipse at the base The parametric equations of the torse of equal slope with an ellipse at the base are [11] (2) The coefficients of the basic quadratic forms of this surface and its main curvatures are [11] ; (3) where ; . In this research the momentless theory (MLT) of shell analysis, the variational-difference method and the finite element method are applied to study a thin torse of equal slope with a directrix ellipse under the action of a uniformly distributed load q = 1 kN/m2 directed along the normal to the middle surface of the torse (internal pressure) (Figure 2). Consider the torse with the following geometric parameters a = 3 m, b = 2 m, α = 60° and u = 2 m. Boundary condition at the level u = 0 m is simple (movable) support and free edge is at the level u = 2 m. Figure 2. Torse under the action of internal distributed surface load To determine the parameters of the stress state of the torse (Figure 2) the momentless theory of shell analysis, the SHELLVRM program based on the VDM and the SCAD Office software based on the FEM are used. Differential equations of equilibrium of a momentless torse shell To determine the normal and tangential forces under the action of a uniformly distributed load acting in the direction normal to the middle surface of the torse (Figure 2), we obtain differential equations of equilibrium of the momentless theory in orthogonal curvilinear curvature lines [11]: (4) For this type of applied load on the studied torse of equal slope (Figure 2), we have X = Y = 0 and Z = q. The differential equations of equilibrium (4) are simplified as follows: (5) The forces S, Nu are equal to zero, i.e. S = 0 and Nu = 0 at the level u = 2 m. From the third differential equation of the system (5) we obtain an expression for the normal forceОб авторах
Ольга Олеговна Алёшина
Российский университет дружбы народов
Автор, ответственный за переписку.
Email: xiaofeng@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-8832-6790
кандидат технических наук, ассистент, департамент строительства, Инженерная академия
Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6Вячеслав Николаевич Иванов
Российский университет дружбы народов
Email: i.v.ivn@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4023-156X
доктор технических наук, профессор-консультант, департамент строительства, Инженерная академия
Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6Давид Кахамарка-Сунига
Католический университет города Куэнки
Email: cajamarca.zuniga@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-8796-4635
доцент департамента строительства
Республика Эквадор, 010101, Куэнка, Ave Las Americas & HumboldtСписок литературы
- Иванов В.Н., Алёшина О.О. Сравнительный анализ параметров напряженно-деформированного состояния торса с направляющим эллипсом с помощью трех методов расчета // Строительная механика и расчет сооружений. 2020. № 3 (290). С. 37–46. https://doi.org/10.37538/0039-2383.2020.3.37.46.
- Aleshina O.O., Ivanov V.N., Cajamarca-Zuniga D. Stress state analysis of an equal slope shell under uniformly distributed tangential load by different methods // Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. 2021. Vol. 17. No. 1. Pp. 51–62. https://doi.org/10.22363/1815-5235-2021-17-1-51-62
- Алёшина О.О., Иванов В.Н., Гринько Е.А. Исследование напряженного состояния торсовой оболочки одинакового ската аналитическим и численными методами // Строительная механика и расчет сооружений. 2020. № 6 (293). С. 2–13. https://doi.org/10.37538/0039-2383.2020.6.2.13
- Иванов В.Н., Алёшина О.О. Сравнительный анализ результатов определения параметров напряженно-деформированного состояния оболочки одинакового ската с направляющим эллипсом в основании // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2019. Т. 15. № 5. С. 374–383. https://doi.org/10.22363/1815-5235-2019-15-5-374-383
- Aleshina O.O. New investigation of the stress-strain state of the torso-shaped awning // International Conference Scientific Research of the SCO Countries: Synergy and Integration. Beijin: Infinity, 2020. Pp. 130–136. https://doi.org/10.34660/INF.2020.26.58262
- Алёшина О.О. Исследования по геометрии и расчету торсовых оболочек одинакового ската // Строительная механика и расчет сооружений. 2019. № 3 (284). С. 63–70.
- Алёшина О.О. Определение закона задания замкнутых кривых торсовых оболочек одинакового ската // Инженерные системы – 2020: труды научно-практической конференции с международным участием, посвященной 60-летию Российского университета дружбы народов (Москва, 14–16 октября 2020 г.): в 2 т. Т. 1. М., 2020. С. 22–30.
- Zhou F.-X. A constant slope surface and its application // 2022 3rd International Conference on Geology, Mapping and Remote Sensing. IEEE, 2022. Рр. 78–81. https://doi.org/10.1109/ICGMRS55602.2022.9849334
- Кривошапко С.Н., Тимошин М.А. Статический расчет торсовой оболочки одинакового ската с направляющим эллипсом // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2008. № 1. С. 3–10.
- Hu Jian-guo, Chen Yue-ping. Mathematical model of the identical slope surface // Wuhan University Journal of Natural Sciences. 2002. Vol. 7. Pp. 54–58. https://doi.org/10.1007/BF02830014
- Кривошапко С.Н. Геометрия линейчатых поверхностей с ребром возврата и линейная теория расчета торсовых оболочек. М.: РУДН, 2009. 358 с.
- Клочков Ю.В., Вахнина О.В., Киселева Т.А. Расчет тонких оболочек на основе треугольного конечного элемента с корректирующими множителями Лагранжа // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2015. № 5. С. 55–59.
- Клочков Ю.В., Николаев А.П., Ищанов Т.Р., Андреев А.С., Клочков М.Ю. Учет геометрической нелинейности в конечно-элементных прочностных расчетах тонкостенных конструкций типа оболочек // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2020. Т. 16. № 1. С. 31–37. https://doi.org/10.22363/1815-5235-2020-16-1-31-37
- Иванов В.Н. Основы метода конечных элементов и вариационно-разностного метода. M.: РУДН, 2008. 168 с.
- Maksimyuk V.A., Storozhuk E.A., Chernyshenko I.S. Variational finite-difference methods in linear and nonlinear problems of the deformation of metallic and composite shells // International Applied Mechanics. 2012. Vol. 48. No. 6. Pp. 613–687. https://doi.org/10.1007/s10778-012-0544-8
- Govind P.L. Complicated features and their solution in analysis of thin shell and plate structures // Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. 2018. Vol. 14. No. 6. Pp. 509–515. https://doi.org/10.22363/1815-5235-2018-14-6-509-515
- Ivanov V.N., Rynkovskaya M.I. Analysis of thin walled wavy shell of Monge type surface with parabola and sinusoid curves by variational-difference method // MATEC Web of Conferences, Shanghai, 21–23 October 2016. 2017. Vol. 95. Article 12007. https://doi.org/10.1051/matecconf/20179512007
- Barve V.D., Dey S.S. Isoparametric finite difference energy method for plate bending problems // Computers and Structures. 1983. Vol. 17. Issue 3. Рр. 459–465. https://doi.org/10.1016/0045-7949(83)90137-2
- Bushnell D., Almroth B.O., Brogan F. Finite-difference energy method for nonlinear shell analysis // Computers and Structures. 1971. Vol. 1. Issue 3. Рр. 361–387. https://doi.org/10.1016/0045-7949(71)90020-4
- Ihlenburg F.F. Plate bending analysis with variational finite difference methods on general grid // Computers and Structures. 1993.Vol. 48. Issue 1. Рр. 141–151. https://doi.org/10.1016/0045-7949(93)90465-P
- Иванов В.Н., Кривошапко С.Н. Аналитические методы расчета оболочек неканонической формы. М.: РУДН, 2010. 542 с.
- Courant R. Variational methods for the solution of problems of equilibrium and vibrations // Bulletin of the American Mathematical Society. 1943. Vol. 49. Issue 1. Рр. 1–23.
- Mikhlin S.G. Variational-difference approximation // Journal of Soviet Mathematics. 1978. Vol. 10. Issue 5. Рр. 661–787. https://doi.org/10.1007/BF01083968
- Zhong H., Yu T. A weak form quadrature element method for plane elasticity problems // Applied Mathematical Modelling. 2009. Vol. 33. Issue 10. Рр. 3801–3814. https://doi.org/10.1016/j.apm.2008.12.007
- Griffin D.S., Varga R.S. Numerical solution of plane elasticity problems // Journal of the Society for Industrial and Applied Mathematics. 1963. Vol. 11. Issue 4. Рр. 1046–1062.
- Brush D.O., Almroth B.O. Buckling of bars, plates, and shells. New York: McGraw-Hill, 1975. 379 p.
- Иванов В.Н., Ламичхане Г.П. Комбинированные пространственные конструкции // Инженерные системы – 2020: труды научно-практической конференции с международным участием, посвященной 60-летию Российского университета дружбы народов (Москва, 14–16 октября 2020 г.): в 2 т. Т. 1. М., 2020. С. 31–39.
- Krivoshapko S.N., Ivanov V.N. Encyclopedia of analytical surfaces. Springer, 2015.
- Кривошапко С.Н. Перспективы и преимущества торсовых поверхностей при моделировании машиностроительных и строительных конструкций // Вестник гражданских инженеров. 2019. № 1 (72). С. 20–30. https://doi.org/10.23968/1999-5571-2019-16-1-20-30
- Кривошапко С.Н. Применение, геометрические и прочностные исследования торсовых оболочек: обзор работ, опубликованных после 2008 г. // Строительная механика и расчет сооружений. 2018. № 2 (277). С. 19–25.
Дополнительные файлы










