Билборды, пожалуй, – самые опасные из существующих видов рекламных носителей. Их конструкция должна быть достаточно прочной, чтобы противостоять штормовому ветру. Кто бы мог подумать, что для создания таких простых форм необходимы современные технологии проектирования, обеспечивающие их прочность. Из этой статьи вы узнаете о современном подходе к разработке держателей для билбордов.
Рекламные щиты бывают разных форм и конфигураций. Мы выберем одну, на примере которой покажем совместную работу Autodesk CFD и Inventor Nastran, чтобы вы поняли, как лучше использовать в связке эти инструменты. И не волнуйтесь, речь пойдет лишь о подходе, не будем грузить вас ламинарным потоком, Навье-Стоксом и прочей турбулентностью.
Конструкция, выбранная для этого исследования, представляет собой консольные панели на одной опоре. Это позволяет нам анализировать худший вариант направления ветровой нагрузки – перпендикулярно щитам. Общий подход здесь заключается в том, чтобы начать с простого, проверить выводы, а затем усложнить расчет.
Одной из классических проблем при расчетах является необходимость упрощения уже готовой модели. В нашем случае полностью детализированная модель Inventor не вполне подходит для расчета в Autodesk CFD. Нам не нужна подробная геометрия, скорее – контуры детали.
Другими словами, попытка перенести более 150 деталей из CAD в CFD-систему будет пустой тратой времени и, скорее всего, вашей головной болью, какое бы ПО вы ни использовали. Мы выберем иную стратегию – постараемся свести модель к одному объекту, чтобы затем использовать ее для создания формы в расчетной области. В CFD основное внимание уделяется анализу воздуха вокруг конструкции.
Такое упрощение довольно легко сделать в Inventor. Параметрическое моделирование позволяет нам легко создавать и изменять расчетную область воздуха вокруг нашей структуры, чтобы управлять плотностью сетки по мере необходимости.
Мы решили использовать графики скорости ветра в районе Чикаго в ноябре 2019, из которых извлекли наши скорости для расчета.
Получив всё необходимое для начала моделирования, мы сразу же перешли в Autodesk CFD и построили нашу модель, используя соответствующие граничные условия. Анализ начинается с грубого расчета, который оценивается на корректность. Например, мы знаем среднюю скорость ветра – она равна 16 км/ч. Если скорость на границе расчетной области близка к скорости потока, возникает дополнительное сопротивление, и мы получаем ошибку в анализе. Если расчетная область слишком велика, время расчета окажется слишком большим.
Чтобы оптимизировать расчетную область, мы использовали поверхность постоянных значений для скорости 16 км/ч и наблюдали за её формой. Затем изменяли размер виртуальной аэродинамической трубы, которую создали. После нескольких итераций удалось довольно сильно сократить размер расчетной области, а затем включить в расчет более мелкие детали рекламного щита. Это повышает точность определения аэродинамической силы.
Прежде чем мы начнем работать с результатами Autodesk CFD и особенно перед передачей значения силы в Inventor Nastran, очень важно сделать несколько простых «ручных» вычислений. Если вы помните, мы специально выбрали «простой» дизайн рекламного щита, представляющий собой просто вертикальную пластину. Предполагаем, что поток воздуха перпендикулярен рекламному щиту. Сила, действующая на него, пропорциональна изменению скорости воздуха. Предположим, что воздух ударяется о рекламный щит и полностью останавливается. Таким образом мы сравнили значение силы, посчитанное «от руки», с результатом CFD. Получили погрешность в пределах 15% – это неплохо, учитывая, что реальная модель более сложна, чем теоретическая вертикальная пластина.
Имея на руках результаты анализа CFD, мы можем обратить наше внимание на расчет прочности. Во-первых, нужно подготовить CAD-модель для использования в Inventor Nastran. Поскольку мы переходим к механической структуре, необходимо обеспечить надлежащий уровень детализации.
Модель рекламного щита представляет собой сварную конструкцию. Если посмотреть на неё в Inventor, видно, что она нуждается в подготовке для выполнения расчета на прочность. В Inventor Nastran мы можем трансформировать модель в конструкцию из двухмерных конечных элементов, соединенных между собой связями, которые адекватно воспринимаются расчетным модулем. Нажатием одной кнопки производим преобразование. Модель готова к расчету. Теперь нужно получить аэродинамическую нагрузку из CFD.
Для этого в меню нагрузок Inventor Nastran выбираем From Output. Далее указываем путь к файлу CFD, содержащему нагрузки. Он имеет расширение *.cfdst.
Эта нагрузка действует на панель щита. Для расчета силовых балок нужно получить результирующую силу, которую затем мы прикладываем как силу на удалении. Не забываем учесть собственный вес конструкции 13700 кг. Таким образом получаем следующие результаты – максимальное смещение 23 мм.
Но это лишь начало расчета. Вибрации неизбежны и, возможно, более опасны, чем статическая нагрузка. Для этого нужно определить собственные частоты щита. Тут нам пригодится понятие центра масс, которой мы заменим панели щита. А соединятся с балками она будет с помощью жестких связей. Расчетная схема выглядит, как показано на рисунке.
Согласно расчету, собственная частота щита равна 2.4 ГЦ. Это значит, что нужно избегать возникновения колебаний на данной частоте, иначе возникнет явление резонанса.
Мы провели расчеты на статику, колебания, но остался еще расчет на усталость. Только расчет позволит ответить, какой из данных режимов нагружения окажется наиболее опасным. Данные типы анализа можно выполнить в Inventor Nastran, но это тема уже другой статьи. Здесь, как и договаривались, мы показали только основы.
Итак, мы рассмотрели интересную задачу. В руках у нас было три инструмента: Inventor Pro, Autodesk CFD и Inventor Nastran – нагрузки определены с помощью данных метеорологических наблюдений. При проектировании конструкции необходимо учитывать предстоящий расчет. А это значит, что нужно предусмотреть упрощение и не создавать нагромождения деталей. Лаконичная и грамотная конструкция – основа для последующего анализа методом конечных элементов. Но и это еще не все. Не забывайте про расчет устойчивости и усталости.
Таким образом мы получаем довольно затратный рекламный носитель. Поэтому в следующий раз, проезжая мимо рекламного щита, вспомните насколько трудоемким является изготовление этой конструкции. Помимо материала тут требуется солидный запас знаний в области прочности и гидрогазодинамики. Но объединяя ресурсы Inventor Nastran и Autodesk CFD, можно сделать расчет значительно быстрее и точнее. До новых встреч!
