Анализ огнестойкости стальной балки под действием экстремального теплового воздействия

Задача заключается в определении момента времени от начала нагрева, в который пластические деформации охватят все поперечное сечение балки. В этот момент конструкция полностью теряет несущую способность.

Построение геометрической модели

Создайте несколько вершин, для этого на панели команд выберите Режим - Геометрия, Объект - Вершина, Действие - Создать. Из списка геометрических примитивов выберите Координаты и задайте необходимые координаты вершин (-0.045, 0, 0.1818). Нажмите Применить.

Проделайте тоже самое для координат: (-0.045, 0, 0), (0, 0, 0), (0, 0, 0.01212), (-0.04, 0, 0.01212 ), (-0.04, 0, 0.16968), (0, 0, 0.169680 ), (0, 0, 0.181800).

Создайте поверхность. На панели команд выберите Режим - Геометрия, Объект - Поверхность, Действие - Создать, из выпадающего списка выберите Список вершин. Задайте необходимые параметры. Нажмите Применить.

Создайте объем при помощи вытягивания поверхности. Для этого на панели команд выберите Режим - Геометрия, Объект - Объем, Действие - Создать. Из списка геометрических примитивов выберите Протяжка и задайте требуемые параметры. Нажмите Применить.

Выполните еще раз протяжку поверхности, изменив расстояние на 1.86 и установив галочку на Срастить результаты.

Выполните еще раз протяжку поверхности, изменив расстояние на 0.02.

Построение конечно-элементной сетки

Постройте сетку на модели, для этого на панели команд выберите Режим - Сетка, Объект - Объемная, Действие - Интервалы. Из выпадающего списка выберите Автоматический размер и задайте требуемые параметры. Нажмите Задать размер, Построить сетку.

Задание материала и свойств блока

Задайте материал. На панели команд выберите Режим - Материал, Объект - Управление материалами. В открывшемся виджете Управление материалами в средней колонке укажите имя материала. В колонку Свойства материала перетащите следующие свойства:

Далее задайте необходимые значения для коэффициента Пуассона и константы Стефана-Больцмана:

Коэффициент Пуассона: 0.3;
Константа Стефана-Больцмана: 5.67037e-08.

Затем задайте зависимость для модуля Юнга от температуры. Для этого дважды нажмите на значение свойства и задайте таблицу (три точки справа), добавьте 2 строки. Введите значения и нажмите Ок.

Аналогично задайте зависимость для плотности от температуры.

Задайте зависимость для предела текучести от температуры.

Задайте зависимость для коэффициента удельной теплоемкости от температуры.

Задайте зависимость для коэффициента теплопроводности от температуры.

Задайте зависимость для коэффициента температурного расширения от температуры.

Нажмите Применить. Закройте окно Управление материалами.

Создайте блок. На панели команд выберите Режим - Блоки, Объект - Блок, Действие - Добавить сущность в блок. Задайте необходимые параметры. Нажмите Применить.

Задайте свойства блоку. На панели команд выберите Режим - Блоки, Объект - Блок, Действие - Свойства/параметры блока. Задайте необходимые параметры. Нажмите Применить.

Задание граничных условий

Закрепите модель в направлении по X. На панели команд выберите Режим - Граничные условия, Объект - Перемещение, Действие - Создать. Задайте необходимые параметры. Нажмите Применить.

Закрепите модель в направлении по Y. На панели команд выберите Режим - Граничные условия, Объект - Перемещение, Действие - Создать. Задайте необходимые параметры. Нажмите Применить.

Закрепите модель в направлении по Z. На панели команд выберите Режим - Граничные условия, Объект - Перемещение, Действие - Создать. Задайте необходимые параметры. Нажмите Применить.

Задайте распределенную силу. На панели команд выберите Режим - Граничные условия, Объект - Распределенная сила, Действие - Создать. Задайте необходимые параметры. Нажмите Применить.

Задайте конвекцию. На панели команд выберите Режим - Граничные условия, Объект - Конвекция, Действие - Создать. Укажите необходимые параметры и затем задайте зависимость для температуры от времени. Для этого дважды нажмите на значение свойства и задайте таблицу (три точки справа), добавьте 4 строки. Введите значения и нажмите Ок.

Закройте окно Редактирование таблицы и нажмите Применить.

Задайте излучение. На панели команд выберите Режим - Граничные условия, Объект - Излучение, Действие - Создать. Укажите необходимые параметры и затем задайте зависимость для температуры внешней среды от времени. Для этого дважды нажмите на значение свойства и задайте таблицу (три точки справа), добавьте 4 строки. Введите значения и нажмите Ок.

Закройте окно Редактирование таблицы и нажмите Применить.

Задайте начальную температуру. На панели команд выберите Режим - Начальные условия, Объект - Температура, Действие - Создать. Задайте необходимые параметры и нажмите Применить.

Запуск расчета

Для запуска на расчет в CAE Fidesys выберите на панели команд Режим - Настройки расчета, Настройки расчета - Временной анализ, Временный анализ - Общие. Задайте максимальное время равное 1300, число шагов - 26, установите галочки: Упругость, Пластичность, Геометрическая нелинейность, Теплопроводность, затем задайте настройки нелинейного решателя. Нажмите Применить.

Задайте свойства среды. На панели команд Режим - Настройки расчета, Настройки расчета - Временной анализ, Временный анализ - Свойства среды. Задайте требуемые параметры и нажмите Применить, Начать расчет.

Анализ результатов

В определенный момент задача начнет расходиться, что будет означать достижение момента охвата пластикой всего сечения балки. Чтобы открыть результаты необходимо перейти в папку с результатами расчета и открыть pvd-файл. В результате появится окно FidesysViewer, в котором вы сможете ознакомиться с результатами расчёта.

Достройте модель и рассмотрите изменения на полной модели. Выберите Фильтр - Алфавитный указатель - Отразить. На странице свойств в поле Плоскость укажите Y макс и нажмите Применить . Затем примените фильтр Деформировать по вектору, введите множитель масштаба 1 и нажмите Применить. В поле отображения выберите Пластические деформации - Мизес. В результате на модели отобразятся пластические деформации по Мизесу.

Для наглядности результатов поменяем раскраску цветов на модели. Для этого необходимо воспользоваться инструментом Редактор цвета (Вид - Редактор цвета).

В появившемся окне необходимо перетащить ползунок влево в редактировании цвета, чтобы добавить больше красного цвета.

Так как данные фильтры больше не потребуются, удалите их. Для это нажмите правой кнопкой мыши на созданный фильтр и нажмите Удалить.

Чтобы оценить, когда балка полностью перестанет сопротивляться нагрузке, построим график зависимости перемещений. Для этого выберете на модели точку с помощью кнопки Выбрать точки и и примените фильтр Построить выделенное в зависимости от времени. В качестве поля для отображения на графике выберите Перемещения_Сумма, в результате в правой части экрана отобразится необходимый график.

Использование консольного интерфейса

Построение геометрии, генерацию сетки, задание граничных условий и материалов можно выполнить с использованием консольного интерфейса. Ниже приведён код программы, позволяющий выполнить шаги описанного выше руководства, необходимо только самостоятельно указать полный путь и название сохраняемого файла.

reset
create vertex 	-0.045	0	0.1818 
create vertex 	-0.045	0	0
create vertex 	0	0	0
create vertex 	0	0	0.01212 
create vertex 	-0.04	0	0.01212 
create vertex 	-0.04	0	0.16968 
create vertex 	0	0	0.169680 
create vertex 	0	0	0.181800
graphics axis off
create surface vertex 1 to 8 
graphics axis on
sweep surface 1  vector 0 1 0  distance 0.12 
sweep surface 1  vector 0 1 0  distance 1.86  merge 
sweep surface 1  vector 0 1 0  distance 0.02  merge 
volume all size auto factor 3
mesh volume all
create table 1
modify table 1 dependency temperature
modify table 1 insert row 1
modify table 1 insert row 1
modify table 1 cell 1 1 value 20
modify table 1 cell 2 1 value 700
modify table 1 cell 2 2 value 5e+10
modify table 1 cell 1 2 value 2e+11
create table 2
modify table 2 dependency temperature
modify table 2 insert row 1
modify table 2 insert row 1
modify table 2 cell 1 2 value 7800
modify table 2 cell 1 1 value 20
modify table 2 cell 2 1 value 700
modify table 2 cell 2 2 value 7500
create table 3
modify table 3 dependency temperature
modify table 3 insert row 1
modify table 3 insert row 1
modify table 3 cell 1 1 value 20
modify table 3 cell 1 2 value 450e6
modify table 3 cell 2 1 value 700
modify table 3 cell 2 2 value 85e6
create table 4
modify table 4 dependency temperature
modify table 4 insert row 1
modify table 4 insert row 1
modify table 4 cell 1 2 value 450
modify table 4 cell 2 2 value 600
modify table 4 cell 1 1 value 20
modify table 4 cell 2 1 value 700
create table 5
modify table 5 dependency temperature
modify table 5 insert row 1
modify table 5 insert row 1
modify table 5 cell 1 2 value 50
modify table 5 cell 2 2 value 25
modify table 5 cell 1 1 value 20
modify table 5 cell 2 1 value 700
create table 6
modify table 6 dependency temperature
modify table 6 insert row 1
modify table 6 insert row 1
modify table 6 cell 1 2 value 1.3e-05
modify table 6 cell 2 2 value 1.5e-05
modify table 6 cell 1 1 value 20
modify table 6 cell 2 1 value 700
create material 1
modify material 1 name 'Сталь'
modify material 1 set property 'POISSON' value 0.3
modify material 1 set property 'MODULUS' table 1
modify material 1 set property 'DENSITY' table 2
modify material 1 set property 'MISES_YIELD_STRENGTH' table 3
modify material 1 set property 'STEFAN_BOLTZMANN_CONSTANT' value 5.67037e-08
modify material 1 set property 'SPECIFIC_HEAT' table 4
modify material 1 set property 'ISO_CONDUCTIVITY' table 5
modify material 1 set property 'ISO_THERMAL_EXPANSION' table 6
set duplicate block elements off
block 1 add volume 1 
block 'Block 1' material 1 cs 1 category solid order 1
create displacement  on surface 9 17 24  dof 1 fix  
create displacement  on surface 1  dof 2 fix  
create displacement  on curve 9  dof 3 fix  
create distributed force on surface 23  force value 15000 moment value 0 direction 0 0 -1 equivalent
create table 7
modify table 7 dependency time
modify table 7 insert row 1
modify table 7 insert row 1
modify table 7 insert row 1
modify table 7 cell 1 2 value 20
modify table 7 cell 2 1 value 400
modify table 7 cell 2 2 value 500
modify table 7 cell 3 1 value 600
modify table 7 cell 3 2 value 600
modify table 7 insert row 4
modify table 7 cell 4 1 value 1300
modify table 7 cell 4 2 value 700
create convection on surface all except 16 8 23 1 17 9  surrounding table 7 coefficient value 22
create table 8
modify table 8 dependency time
modify table 8 insert row 1
modify table 8 insert row 1
modify table 8 insert row 1
modify table 8 insert row 1
modify table 8 cell 1 2 value 20
modify table 8 cell 2 1 value 400
modify table 8 cell 2 2 value 500
modify table 8 cell 3 1 value 500
modify table 8 cell 3 2 value 600
modify table 8 cell 4 1 value 1300
modify table 8 cell 4 2 value 700
create radiation on surface all except 16 8 23 1 17 9  surrounding table 8 emissivity value 0.6
create initial temperature on volume 1 
modify initial temperature 1 value 20
analysis type dynamic elasticity findefs heattrans plasticity dim3 preload on
dynamic method full_solution scheme implicit steps 26 newmark_gamma 0.1 maxtime 1300
nonlinearopts maxiters 100 startloadsteps 1 minloadsteps 1 maxloadsteps 10000000 tolerance 0.01 targetiter 5
environment temperature 20