Предыстория
В чате Аскон Компаса, неожиданно для себя стал инциатором срача, на тему как правильно считать конструкции, и могут ли вообще быть полезны такие усеченные инструменты как APM FEM, входящие в состав Компаса.
Начался вопрос со сравнения инструментария т-сплайнов у разных пакетов, но когда выяснилось, что T-Spline (ну или вернее sub-div у Аскона есть как мобильное приложение, а внутри Компаса присутствует исключительно в рамках модуля по обработке результатов топологической оптимизации). То вот тут автора вопроса про т-сплайны, почему то порвало в сторону того что АПМ Фем, вообще никому не нужен, ибо ничего толкового считать не умеет. Вообще в чате нет прочнистов и пр.
На мое заявление, что бОльшую часть расчетов в машиностроении и составляют линейные статические расчеты, началась битва с взаимными оскорблениями. В общем срач где-то тут начался. Примечательным является то, что я не могу принять участие в баталии, так как находился в полях, и вернулся к клавиатуре только ближе к глубокому вечеру, когда взаимные оскорбления пошли круг на третий, четвертый. Входе срача выяснилось, что автор исходного вопроса строитель, а оппонировали ему в основном машиностроители.
Уже совсем после, автор сказал что он никого не оскорблял (ну скажем так, он скорее отвечал на оскорбления)... но я могу понять и машиностроителей которые бросились кидаться ругательствами, потому что фразы и заявления "строителя" в стиле, расчет по допускаемым напряжениям это не расчет на прочность, это технологии 19 века и пр, Вы не умеете считать так не судите... тоже не сильно приятны и по сути часть из них можно посчитать завуалированными оскорблениями. что людей и выбесило. Ах да, а делал это автор исключительно, чтобы разработчики Аскона, согласились, что компасу нужен более продвинутый расчетчик, который удовлетворит нужды строителей. Там много всего было.
И меня искренне радует, что человек, который не понимает что взгляды зависят от задач решает за всех, что всем нужно для счастия... Также меня радует, что у столь высококлассного специалиста (на самом деле судя по фразам опыт неплохой, но у меня создалось ощущение что опыт несколько однобокий) мои высказывания, которые ему не нравятся, не просто не вызывают доверия, он откровенно считает что это ложь. Хотя поддержка ПО, о котором шла речь, не просто приняла к сведению эту информацию, но и впоследствии выпустила целый сервиспак, решавший "отсутствующую проблему". Ну да ладно. Это, как Вы поняли я ядом плююсь, от того, что кто-то не поверил в обоснованность моего ЧСВ. ;)
Еще раз, судя по фразам - опыт у человека есть и расчетчик он вполне неполхой (и это не сарказм, я себя тоже считаю неплохим расчетчиком). Но мне кажется что до хорошего, ему нужно понимание, что ситуации бывают разные.
А теперь все что я написал в чате Аскона, когда вечером добрался до клавиатуры:
Итого что хочу написать.
1. все ниженаписанное личное мнение и не является истиной в последней инстанции, или претензией на таковую. также не несет в себе попытки кого-то обидеть
2. машиностроение и строительство очень разные отрасли, с разными подходами, целями, условиями эксплауатции и пр. и не смотря на то, что есть некоторые пересечения в чистом виде переносить опыт с одной отрасли на другую - не всегда корректно
и то что для одних кажется очевидным, а что-то глупостью и ересью, для других таковым не является, не в силу того, что они суть необразованные дебилы, а просто потому, что разные условия работы:
мы же не будем утверждать что машины "формулы 1" фиговые только потому что по вспаханой полосе проехать не могут, ведь правда?
теперь ближе к сути. нелинейности.
нелинейности бывают трех типов:
- контакт (тут вроде понятно),
- физическая (или нелинейность поведения материала)
- и геометрическая (если коротко то провода между опорами с большим расстоянием всегда будут провисшими, сколько их не натягивай. и в таком же состоянии они и порвутся)
еще иногда нелинейностью называют смену состояния (например переход из твердого состояния в жидкое, локальную поломку, трещины, было-пропало, не было-появилось и пр,)
Но обычно эту часть относят в классификациях к комбинации трех предыдущих, по суме часто говорится о трех, но кое где пишут 4
чем хренова нелинейность - тем что никогда нельзя наперёд ничего сказать о поведении.
прикидки можно сделать. но по сути угадать точно, что произойдет в качественном и количественном варианте - практически невозможно, особенно для новой незнакомой задачи. (Практически это не всмысле с большой долей вероятности, а "на практике")
теперь по классификации. применительно к отраслям
в строительстве все объекты достаточно большие, особенно по отношению к другим характерным объектам. Это приводит к тому, что неучет больших деформаций (та самая геометрическая нелинейность) - приводит к неправильному определению и жесткости, и напряжений. Причем, с учетом, что считается обычно не одна деталь, а цельные комплексы сооружений, может произойти неправильное распределение усилий по элементам, что приведет к обрушениям и пр. (тут я забыл про оценку отдельных узлов, но об этом будет позже)
в машиностроении объекты далеко не всегда большие. и очень часто на данную штуку (учет больших деформаций) можно тупо забить. Потому что она поменяет цифры в 5м знаке после запятой, и картину не поменяет от слова никак
Всегда ли можно забить на большие деформации и перемещения? нет! Есть куча задач где это надо учитывать.
Можно ли это не учитывать - пытаются. В смысле пытаются обойтись без учета. Ибо есть методики благодаря, которым в определенных рамках, в определенных задачах, в машиностроении на это можно забить
Нелинейное поведение материала. Основным материалом в строительстве является бетон в связке с арматурой. Чаще всего это железобетон, хотя арматура бывает не только стальная
Проблема бетона в том, что он по разному ведет себя на сжатие и растяжение. Охренеть как по разному. простите за технический термин
Причем даже если предположить, что "и вправо и влево", простите на растяжение и сжатие по отдельности, бетон поработает по закону Гука (т.е. линейно), то сам факт того, что углы наклона разные - приводит к проблемам
пример с разницей по жесткости на растяжение и сжатие в полтора раза, для очень простой задачи показан тут: Если материал работает по разному, на растяжение/сжатие. можно ли его посчитать?
задача смоделирована таким образом, чтобы ее можно было повторить практически в любом комплексе, даже если он не поддерживает такое поведение. Да в "ручном" режиме. но можно попробовать и понять.
там же есть ролик на пояснения и с демонстрацией работы "скрипта", который все это делает автоматом.
Чем больше разница в поведении на сжатие и растяжение - тем хуже. чем сложнее геометрия и НДС - тем хуже. Не для скрипта - а для оценки конструкции, для получения устойчивого решения, и для сравнения между расчетом без учета такого поведения и с учетом.
К радости строителей, конструкции когда рассматриваются целиком, обычно считаются балками и оболочками. Радость в том, что для них можно достаточно просто определить где действует растяжение, где сжатие. Фраза условная. но близкая к действительности в сравнении с машиностроением. Имхо
В машиностроении с ее геометрией и ее нагрузками - это просто алес для расчета. Практически любой тут, так или иначе слышал про 3д печать, и это как раз пример того, как небольшая разница по упругости и по прочности (раза в полтора) приводит к асболютной невозможности адекватно считать детали. (Фраза не совсем корректная, потому что тут идет речь не о работе полимера по разному на сжатие/растяжение, а при работе по разному в разных направлениях. это ортотропия/анизотропия, а не нелинейность. но для общего понимания ситуации - покатит. имхо)
Теперь вернемся к бетону. если его модуль упругости, т.е. жесткость +/- можно считать близкими (жесткость на растяжение не очень сильно отличается от жесткости на сжатие), то с пределами прочность, простите за технический термин - жопа. вернее ЖОПА. вернее... не буду. все и сами поняли, что суть другое слово надо использовать
ибо разница в 8, 10, 20 раз (по пределам прочности на сжатие и на растяжение)
при этом предел прочности на растяжение бетона это полтора... 2, 3 ну 5 МПа (хотя я о таком не слышал, но я и не строитель)
В то время как предел прочности на сжатие обычно 25-30 МПа (зависит от класса бетона и пр, сейчас уточнять не буду)
добиться того, чтобы в бетоне не было мест с растяжением в 2 МПа - по сути задача не реальная
Как следствие, бетон, как хрупкий материал сразу идет в трещины. а трещины это концентраторы и новые источники проблем
Вывод придумали давно - арматура из материалов которые хорошо работают на растяжение
за счет этого места которые только что были ЖОПОЙ, простите, можно превратить в ну "задница" может даже получится довести до состояния "попка"....
трещины там есть, им деться некуда, но за счет арматуры и пр., область с трещинами все равно работает.
но эта область уже работает нелинейно. совсем нелинейно. Нет, линейно это описывать нельзя. Но об этом позже
Но есть и "Благо" - список материалов достаточно ограничен
Да, я знаю про то, что от типов и количества присадок, от типа песка, от того как он был замешан... блин... даже от того провибрировали его после заливки или нет, и даже от того сколько лет он простоял, зависит очень многое ( сточки зрения прочности, поведения и пр.)
и материалов в строительстве тоже дофига (но не настолько как в машиностроении, если мы говорим о несущих конструкциях)
И несмотря на разнообразие материалов, тут очень часто можно экспериментально свести к определенному классу прочности и сказать, что оно работает вот так. Так работает и все.
в крайнем случае предложить свой метод. но это реже
Комментарий в ходе написания, от A.P. (разрешения на использование личных данных не брал, по сему так): Так ведь на партию сертификат выпускают с образцами подтверждающими прочностные характеристики
Это для серьёзных людей, имеется ввиду
Anton Vasiliev (это я): да. но налажать всегда можно ;) как показывает практика. и не только у нас лажают
в общем вернемся к "классу прочности"
он есть и это супер! и это позволило за 100 лет набрать офигительный набор экспериментальных данных, которые позволяют эмпирико-аналитически рассчитать эти самые нелинейные модели поведения
А так как "очень сложная модель здания" это все равно, чаще всего модель из балок и пластин.... с очень ограниченным числом элементов (в сравнении с некоторыми задачами машиностроения)
это позволяет эффективно решать нелинейные задачи, как проектировочные так и проверочные (про них позже) (термин сложная модель взят в кавычки не как сарказм, а как описание класса задач)
по сути "плотность арматуры", а значит ее влияние на поведение конструкции - является параметром. Это очень грубая фраза. и нифига не точная, но пока скажу так. Т.е. также как и толщиной, ей просто можно играть не меняя ни геометрию, ничего.
и тут важно то, что считая линейно мы получим "не лажу" только для очень простых объектов и с хорошим коэффициентом запаса. И то, при условии, что этот коэффициент запаса - не привел к существенно большему весу, который и поломал конструкцию (а такое тоже бывает)
В общем, без нелинейностей тут (в строительстве и оценке ЖБК) - крайне сложно
Сложно, потому что на всем диапазоне рабочих нагрузок мы имеем кривую. Именно кривую на всем, а не прямую, а потом кривую, которую тоже часто можно заменить на еще одну прямую (как в машиностроении, но к нему вернемся)
хотя я сталкивался со случаями когда и тут (при расчет ЖБ) народ лепил линейность. Но это было почти 20 лет назад, и не уверен, что это можно считать действенным примером, еще и потому, что это я мог налажать с определением того что вижу. Все таки я не строитель.
НО! ведь в строительстве также часто используют сталь. причем в чистом ее виде. как и в машиностроении
И фиг с ним, что в машиностроении дофига всего кроме стали. сталь все равно пока много где рулит.
А раз так, что же тогда отличает задачи?
про большие перемещения/деформации уже говорили.
поговорим про нелинейность (сам процесс расчета нелинейностей)
В строительстве каждый условный килограмм конструкции работает против нее. Ибо очень большая часть нагрузки (по крайней мере у зданий и сооружений) идет от веса
и в машиностроении есть объекты с подобными проблемами. тут и самолеты, и краны (подъемно-транспортное оборудование), и суда, и куча всего другого...
но у того же здания, нагрузка редко меняется от нуля до максимума, и уж тем более от минуса до такого же плюса
поэтому часто можно спроектировать конструкцию таким образом, чтобы она вся ушла в пластику, но при этом держала
потому что если пытаться сделать без пластики, то:
- не всегда получится, ибо увеличивая сечение мы увеличиваем вес, и тем самым увеличиваем нагрузку.
- это будет охренеть, как дорого
соответственно, мы и подбираем сечение в стиле: чтобы хрен с ней с пластикой, ушло но стояло
и это вполне нормально работает за исключением непроектных случаев
Исключения это когда одновременно срабатывает несколько факторов, которые теоретически не должны. Или какой то фактор все таки вылез сам за проектные пределы
Чаще работает комбинация. каждая по отдельности - не страшно и даже не максимум. и даже их на комбинацию считали. но вот то что произошло с текущей комбинацией приведшей к разрушению - или считали маловероятным. Или где-то налажали с постановкой - последнее тоже бывает
Что касается машиностроения.. то тут есть отрасли, в которых на напряжения тупо плевать. Ибо если там появляются большие напряжения (одного порядка с пределом текучести)- конструкция не выполняет своих задач. Пример - станки. Их задача не напряжения держать, а минимизировать деформации на рабочем инструменте.
а при минимальных деформациях до зоны пластики кашлять и кашлять (кроме мелких концентраторов). И нафига тут считать нелинейности поведения материала?
Пример расчета (от нуля до результата, полный "летсплей") станка с ЧПУ. Видео длинное и нудное о 6ти часов. Зато полностью показывает процесс подготовки к расчету и сам расчет.
Другой пример, когда в конструкции при рабочей нагрузке напряжения уже одного порядка с пластикой (в пару раз меньше), а в концентраторах - тем более (может даже больше)
и можно было бы сказать что тут надо считать в нелинейной постановке
но, это гарантировано и существенно удлинит процесс расчета и проектирования, при этом во многих случаях нифига не добавит к точности...
потому, что на самом деле можно спокойно считать линейно и тупо игнорировать концентраторы.....
ну ладно. тупо нельзя- надо умно. но можно
пример того как влияет "пластика" и ее параметры на мелкие концентраторы:
снова длинное и нудное видео, но я думаю, Вы и так уже все поняли.
идем дальше.
Очень частой проблемой разрушения в машиностроении являются не разрушения от того что напряжения просто превысили предел текучести а затем прочности, а усталостные трещины, которые идут от знакопеременной нагрузки (ну или просто переменной)
и если размах напряжений там близок к пластике - амба котенку, который сломается еще в слепом детстве, а никак не толстым старым домашним котом
чуть подробнее (если кому то мало того что написано) тут: к чему приводит игнор концентраторов но тоже по мелочи (в смысле не очень подробно там расписано)
как итог, машиностроителям НАДО проектировать конструкцию в которой до пластики будет запас 2-3, а то и больше раз
Что еще?
Контакты. Вот это пример нелинейности которую чаще учитывают машиностроители чем строители (если исключить разработку отдельных узлов)
имхо
в целом и все. дальше можно рассказывать. но тема контактов в целом и так понятна. если нет - пишите, я раскрою (ибо тут много чего есть для рассказать)
теперь перейдем к трещинам и методам их расчета
тут (в рамках общения в чате) были наезды на строителей, у которых всё в трещинах, а они в ус не дуют
Мне немного удивительны подобные наезды, потому что все самолеты полностью состоят из трещин. если грубо
и очень многие другие машиностроительные конструкции - тоже
Да, обычно считается, что если трещина появилась - то это хана конструкции
но любой, кто сталкивался с эксплуатацией подъемно-транспортного знает, что нифига подобного:
- трещины и заваривают,
- и ждут пока они выростут, потом засверливают,
- и делают накладки
Более того при проектировании многих конструкций, узлов, деталей, например лопаток турбин, нередко делают специально несколько мест возникновения трещин. Потому что, как бы это странно не звучало, это позволяет существенно увеличить срок жизни лопатки.
Ибо трещины по любому будут, и конструкцию делают так, чтобы четко понимать где они будут, в какой последовательности они будут развиваться, и до куда они вырастут без критичной проблемы для работы. И как только трещина вырастает до определенного предела, происходит перераспределение жесткости, и в этом месте уже нет нужной концентрации напряжений для роста трещины, а трещина растет в другом месте. И так по кругу пока деталь не заменят на другую такую же в ходе профилактики.
и так несколько раз
Причем половина таких методов, что характерно, основана не на крутых программных комплексах, в которых можно замоделировать рост трещины.
Видео не мое, но хорошее.
Так вот, методы основаны не на современном ПО, а на методах расчета в линейной постановке, а иногда и по методам того самого 19 века (отсылка к 19 веку связана со спором в чате)
Но для этого (чтобы оно нормально работало) желательно иметь экспериментальную базу и эмпирические данные. Впрочем и для модных методов расчета без них не обойтись.
В общем, мы машиностроители, в плане "лажи" (т.е. трещин в конструкции) не сильно отличаемся от строителей
Теперь, почему в машиностроении "реже" используются нелинейные расчеты
что такое нелинейный расчет не с точки зрения итогов, а с точки зрения процесса?
Это несколько внутренних итераций по нахождению равновесного решения.
А чтобы этим итерациям было проще сойтись, нагрузку меняют постепенно.
тоже с итерациями..
как итог в среднем, если не переходится пересчитывать жесткость конструкции, то нелинейный расчет минимум в 3-4, а в реальной практике обычно минимум в 20-100-1000 раз дольше обычного линейного. И без гарантии того, что решится. Без гарантии что если вы подберете параметры для решения, что вы решите правильную задачу.
Максимальная строительная задача с которой я сталкивался была в размере 1.2 миллиона конечных элементов. Это был стадион
очень многие задачи умещаются в 100 тысяч.
а вот в машиностроении.... один узел может быть "лямов" в 15
обычно тоже стараются меньше. но полтора ляма - это не большая задача.
к сожалению!
Решать проектировочные задачи на таком - нельзя.
По сему во многих стандартах. Например в судостроительных.
Для определения общей жесткости и базовой прочности корабля идет конечно-элементная сетка в 1.5-5 тысяч элементов на весь корабль
локальные 10-20 тыс. на кусок
и на всех этапах идет исключительно линейный расчет. А базовый проект корабля вообще считается в экселе (и только в самом конце... для отдельных случаев...)
лекция по истории МКЭ, и том как и почему упрощают задачи. На 3 часа.
к чему я это? Это не к тому, что машиностроители круче.
Я это к тому, что задачи разные. И для каждых из них идут свои методы, размерности и пр.
И в машиностроении из-за некоторых фишек, о которых писал. абсолютное большинство расчетов это линейная статика.
Причем это (попытка использования максимально простых расчетов) идет по всему миру. В том числе в очень крупных конторах
а нелинейку используют только на финише. И то не всегда, а когда прошли по краю стандартов, или вылезли за пределы понимания работоспособности и пр.
Собственно по этому я как расчетчик, с образованиям расчетчика, и с 20 летним стажем работы по очень разным проектам, - не вижу проблем в использовании линейных расчетов, как таковых без подробностей и пр. Могут быть ошибки в конкретных случаях использования тех или иных методик расчета. Но в целом - проблемы не вижу.
а если учесть что и расчеты никто не делает, просто дерут по аналогии а по месту болгаркой правят (и работает) - тем боле, я только рад, что потихоньку начинают лезть в расчеты
Коммент от строителя: Так и в расчете строительного узла как подконтрукции может быть такая размерность. И контакты и односторонние связи. Точно такой подход и строители используют
Anton Vasiliev: да. эти подходы очень близки. я в курсе ;)
Узлы далеко не всегда считают нелинейно. Даже если говорить про контакты.
Но да в своей простыне я не упомянул узлы, потому что на мой взгляд их часто считают по машиностроительным подходам (по крайней мере то с чем я сталкивался, но это ограниченный опыт, так что сильно обобщать не буду)
Также если говорить в целом, то в строительстве и в машиностроении контакты иногда "немного" по разному работают. но это уже не сегодня
И не упомянул ряд весёлых строительных типов задач, как например мосты, но тоже не сегодня.
A: Эмпирические методы решают, все как всегда. А остальное так баловство получается, показать график или проверить/подвердить расчёт на екселе.
Anton Vasiliev: Таки да
