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)

Дополнительная информация

  • Категория: Технологии
Отправить комментарий

Защитный код
Обновить