Автоматизирование процесса визуализации результатов физического моделирования методом эквивалентных материалов

Июнь, 2015
Автор: Кавказский В.Н. к.т.н.,доцент кафедры «Тоннели и метрополитены» ПГУПС, Креер Р.О.,аспирант, Попов Д.С.,Терёшина Е.В.,Сидоров В.В.,студенты

В настоящий период кафедрой «Тоннели и Метрополитены» Петербургского Государственного Университета Путей Сообщения Александра I осуществляется исследование новых конструктивно-технологических решений для строительства станционных комплексов в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга.

В рамках этого исследования проводится математическое и физическое моделирование работы конструкций станции пилонного типа из монолитного железобетона. К разработке физической модели были привлечены студенты, работа которых выполнена при поддержке Петербургским государственным университетом путей сообщения Императора Александра I инициативных научных работ, выполняемых студенческими научными коллективами.

Уже десятки лет компьютерное моделирование занимает едва ли не центральное место в прикладных исследованиях в самых разных областях науки. И это особенно касается строительной отрасли: при его помощи становится возможным анализ напряжённо-деформированного состояния сложнейших конструкций в различных условиях при минимальных затратах временных и трудовых ресурсов. Однако, несмотря на непрерывное совершенствование вычислительной техники, далеко не все задачи по силам математическому моделированию. В этих случаях прибегают к методам физического моделирования.

Физическое моделирование сопряжено с большими затратами временных и трудовых ресурсов: на изготовление одной модели для получения качественного результата исследований уходит от 1 до 2 лет. На данный момент за год работы были проведены следующие этапы подготовки:

  • Первый этап: подбор соответствующих физико-механических свойств моделей грунтового массива и станционных конструкций методом эквивалентных материалов. Самый сложный и трудоёмкий этап. На данной стадии опытным путём при помощи метода эквивалентных материалов было получено соответствующее соотношение компонентов смеси, моделирующей грунт, и гипсового раствора для изготовления модели станции.
  • Метод эквивалентных материалов заключается в следующем:
  1. модель толщи пород изготавливается из подобных материалов с соблюдением геометрического подобия модели и натуры;
  2. в целях механического подобия материалы эквивалентной смеси подбираются так, чтобы находиться в соответствии с физико-механическими характеристиками реальных грунтов.
  • Второй этап. Изготовление испытательного стенда и подготовка к проведению эксперимента. На данной стадии производится закатка эквивалентного грунта по специальной методике с последующей установкой тензометрических датчиков, деформационных марок и конструирование станционного комплекса (Рис. 1).

Рис. 1. Общий вид испытательного стенда с моделью обделки среднего станционного тоннеля.

Только после этого приступают к самому ответственному этапу — этапу проведения испытаний.
В ближайшее время планируется проведение следующих работ:

  • Проведение испытаний. На этой стадии стенд постепенно нагружается при помощи гидравлических домкратов. Показания тензодатчиков фиксируются специальным лицензированным программным обеспечением с последующей интерпретацией результатов программным комплексом, разработанным для этих целей.
  • Обработка и визуализация результатов. Заключается в создании удобного для восприятия и анализа графического отображения напряжённо-деформированного состояния станционных и тоннельных конструкций. Решение данной задачи входило в работу студенческой исследовательской группы.

Визуализация данных сводится к построению эпюр усилий и напряжений на контурах тоннельной обделки (Рис. 2).

Рис. 2. Эпюра моментов, построенная на контуре обделки.

Принимая во внимание тот факт, что тоннельные и станционные конструкции демонстрируют схожий характер деформированного состояния, было принято решение автоматизировать процесс построения контуров поперечного сечения тоннельных конструкций.
Проектирование тоннельных сооружений зависит, главным образом, от положенного в основу железнодорожного габарита и окружающих инженерно-геологических условий, которые выражаются через коэффициент крепости грунта. Была проведена работа по анализу нормативной документации (в том числе ГОСТ 9238-83 – «Габариты приближения строений и подвижного состава железных дорог колеи 1520 (1524) мм»), откуда следует, что наиболее распространёнными на сегодняшний день габаритами являются:

  • габарит С;
  • габарит Сп;
  • габарит С250;

Далее была проведена работа по автоматизации вывода результатов опытов при помощи распространённой в среде проектировщиков программы autocad. Данное ПО содержит программную среду autolisp, которая довольно удобна и доступна, однако отсутствие достаточного информационного сопровождения усложняет работу в ней.

 

Рис. 3. Блок-схема программы для автоматизированного построения обделки.

 



Рис. 4. Написание программы.

Разработка программы велась по частям: габариты и обделки для них разрабатывались последовательно и в разных файлах, а затем они были составлены в единую программу. Проводимая на кафедре работа по анализу напряженно-деформированному состоянию обделки тоннельных сооружений позволяет привлечь студентов к научно-исследовательской работе. В рамках общей работы авторским коллективом студентов была внесена своя лепта в виде написания программного дополнения, которое позволило оперативно получать информацию об изменениях данных во времени и их обработке. Данный проект благодаря своей наукоёмкости и наглядности позволяет студентам-инженерам поучаствовать и попробовать свои силы в реальной научной работе и раскрыть свой потенциал, укрепить веру в себя. Это, несомненно, поможет студентам в их дальнейшей профессиональной, научной и даже педагогической деятельности.

Дополнительные материалы по теме:

Первая в России кафедра «Тоннели и метрополитены» (читать статью)

Аналоговое моделирование мостов как способ изучения работы реальных конструкций (читать статью)

Физическое моделирование конструкций станции метрополитена методом эквивалентных материалов (читать статью)

Отправить комментарий

Защитный код
Обновить

Подписка на новости