Проф. Оленьков В. Д., студ. Пузырев П. И.

Южно-Уральский государственный университет, Россия

Пример автоматизированного расчета здания на статическую ветровую нагрузку.

В статье рассмотрен пример автоматизированного расчета церкви на статическую ветровую нагрузку с использованием системы конечно-элементного анализа ANSYS.

Автоматизированный расчет зданий и сооружений помогает повысить качество и производительность работы инженера и позволяет анализировать сложные конструкции, что вручную не представляется возможным. С идеей использования средств компьютерного анализа возникает задача грамотного и обоснованного выбора инструментов численного моделирования, отработки численных моделей с целью выявления их сильных и слабых сторон.

Основным способом решения обозначенной задачи нам видится изучение метода конечных элементов и нахождение тестовых решений для простых расчетных случаев. Первая цель является долгосрочной и объемной и не является задачей данной работы, поэтому сосредоточим свое внимание на второй цели. На основании вышеизложенного были поставлены следующие задачи:

· Исследовать методы компьютерного расчета статической части ветровой нагрузки.

· Рассмотреть влияние на результат и скорость вычисления применение разных сеточных моделей и моделей турбулентности.

Алгоритм проведения расчетов:

1. Подготовка расчетной модели. Сюда входят:

) Создание геометрической модели, описывающей расчетную область.

Этот пункт был выполнен в программном комплексе SolidWorks.

) Генерация сеточной модели на основе созданной геометрии.

Этот пункт был выполнен в пакете программного комплекса ANSYS ICEM CFD. Структурированная сетка была построена с применением надстроек в меню Mesh Control – Face Sizing и Mapped Face Meshing. Неструктурированная сетка создана с настройками по умолчанию.

) Задание граничных и начальных условий, выбор физической модели расчета (например, модели турбулентности и т. д.) – препроцессинг.

2. Решение задачи в вычислителе.

3. Просмотр и оценка результатов – постпроцессинг.

4. Коррекция расчетной модели (изменение геометрии, сеточной, физической модели). Проведение расчета с учетом изменений.

Как правило, коррекция расчетной модели производится из-за неудовлетворительных результатов, полученных в решении. Однако, изменения могут быть продиктованы, например, желанием проследить влияние качества сеточной модели (количества ячеек, их параметров) на результат, вычислительные затраты, сходимость расчета или же выявить адекватность применения той или иной физической модели, используемой в ходе моделирования как сделано в этой работе.

Проведение компьютерного моделирования экспериментов, являющихся целью этой работы, проводилось в одном из самых распространенных CFD-пакетов – ANSYS Workbench CFX с интегрированной в него геометрией из программного комплекса SolidWorks.

В ходе решения поставленной задачи можно выделить следующий порядок действий: создание упрощенной объемной модели, оптимизированной для аэродинамических расчетов. Она создана на основе обработанного облака точек, полученного методами лазерного 3D сканирования. Проводить сканирование не ставилось целью настоящей статьи, поэтому в работе были использованы материалы дипломного проекта 2013 года студентов кафедры строительной механики Гречишкина М. В. и Мостинца А. С. [4] Далее выполнялся импорт в ANSYS. После этого проводилось создание конечноэлементной модели с двумя типами сеток. Следующим шагом задавались граничные условия и три модели турбулентности. Затем запускалось вычисление.

Для проведения численного моделирования были выбраны программные пакеты:

· Система автоматизированного проектирования SolidWorks – создание и редактирование геометрической модели.

· Пакет численного моделирования задач газовой динамики ANSYS Workbench-CFX использовался для создания сеточной модели, препроцессинга, решения и обработки результатов.

Продукт SolidWorks позволяет осуществить быстрое построение модели, описать ее аналитически, что необходимо для интеграции в ANSYS. Пакеты ANSYS Workbench, ANSYS ICEM CFD и ANSYS CFX представляют собой интегрированную систему для проведения CFD-расчетов, что обеспечивает максимальное удобство при передаче данных из одной программы в другую. Наряду с этим выбор был продиктован большими возможностями, заложенными в данные программные продукты и наличием информации о практике их применения.

Для анализа были созданы две сетки: первая содержала 383759 конечных элементов и в ней был учтен пристеночный слой для моделей турбулентности. Компьютер проводил ее расчет 288 секунд и выдал значение давления на вертикальную плоскость при скорости ветра 25 м/с – 44,2 кг/м².

Вторая содержала 786075 конечных элементов и была построена по умолчанию из тетраэдров без пристеночного слоя. Компьютер проводил ее расчет 468 секунд и выдал значение давления на вертикальную плоскость при тех же условиях расчета – 47,1 кг/м².

Стоит заметить, что в первом случае компьютер за одну секунду проводил расчет, в среднем, 1332 конечных элементов, а во втором – 1680 конечных элементов. Из этого можно сделать вывод, что компьютер, в нашем случае, быстрее проводит вычисления с неструктурированной сеткой. Одна из причин этого – отсутствие в ней мелкого пристеночного слоя.

Если проанализировать расхождение результатов, то наиболее приближенным к СНиП является первый результат. Из этого можно сделать вывод, что на конечный результат наибольшее влияние оказывает качество сетки, а не количество конечных элементов в ней. В нашем случае результат изменился на 6% при варьировании этого фактора. Визуально поле давлений в первом случае выглядит достовернее.

Одновременно были проведены три расчета с разными моделями турбулентности: Нормальная(5%), k-O и k-ε. Максимальное давление равно 44,2 кг/м², 44 кг/м² и 44 кг/м² соответственно. Причем время расчета было 288, 280 секунд и 617 секунд соответственно. Внешне же поля давлений отличаются пренебрежительно мало. То есть, умелый выбор модели турбулентности позволяет значительно сократить время расчета, как это было с моделями k-O и k-ε.

Подобные исследования проводились под руководством проф. Оленькова В. Д. на кафедре строительной механики Южно-Уральского государственного университета, о чем свидетельствуют публикации сотрудников и студентов университета [3, 4]. В настоящей работе помимо ранее рассмотренных тем были затронуты вопросы влияния качества сетки на результат и влияние разных моделей турбулентности на точность ответа по сравнению с давлением в соответствии со СНиП для вертикальной стены.

Библиографический список

1. Исмагилов Д. Р. Эффективность методов исследования аэродинамических коэффициентов и их производных. / Исмагилов Д. Р. // Выпускная квалификационная работа. – Челябинск: ЮУрГУ, 2009. – 118 с.

2. Кривошеева М. В. Обтекание пластины вращающиейся с постоянной угловой скоростью. / Кривошеева М. В. // Научно-исследовательская работа. – Челябинск: ЮУрГУ, 2011. – 75 с.

3. Оленьков В. Д. Применение технологии информационного моделирования для диагностики технического состояния зданий / В. Д. Оленьков, Л. А. Раменская, А. А. Пронина // Вестник Пермского государственного технического университета. Серия «Строительство и архитектура». – Пермь: ПГТУ, 2013.

4. Оленьков В. Д. Реставрация церкви Покрова Пресвятой Богородицы в селе Булзи Челябинской области / В. Д. Оленьков, А. С. Мостинец, М. В. Гречишкин // Вопросы планировки и застройки городов: Материалы XX международной научно-практической конференции. – Пенза: ПГУАС, 2013.

5. История русской архитектуры: Учебник для вузов // В.И.Пилявский, Т. А. Славина, А.А.Тиц. – 2-е изд. – СПб Стройиздат, 1994. – 600 с.