25

Столярчук В.А. Пояснения и рекомендации к выполнению лабораторных работ в учебной САПР Ferma. Требования к оформлению отчетов и представлению материалов.

Столярчук В.А.

Лабораторные работы 1,2,3,4 (Лр1, Лр2,Лр3,Лр4)

по проектированию силовых схем в учебной САПР Ferma

учебное пособие

Настоящее пособие является вспомогательным.

Методики и процедуры выполнения лабораторных работ подробно изложены в пособиях:

Основные

1. Столярчук В.А. Автоматизация проектирования силовых конструкций. МАИ, 2004. - 87 с., электронный вид, выложен на сайте www.mai6.ru, раздел «Дисциплины»

2. Столярчук В.А. Автоматизированное проектирование ферменных конструкций. МАИ, 2005. – 91с., электронный вид, выложен на сайте www.mai6.ru, раздел «Дисциплины»

Дополнительные

3. Столярчук В.А. Краткое описание учебной САПР Ferma.- МАИ, каф. 609, рукопись, электронный вид, выложен на сайте www.mai6.ru, раздел «Дисциплины» .

4. Столярчук В.А. Руководство по использованию САПР Ferma, электронный вид выложен на сайте www.mai6.ru, раздел «Дисциплины»

5. Ли К. Основы САПР CAD/CAM/CAE. Питер, 2004. - 559 с.

6. Столярчук В.А. Основы автоматизации проектно-конструкторских работ. МАИ, 2003. - 66 с., электронный вид выложен на сайте www.mai6.ru, раздел «Дисциплины»

Оглавление

1. Пояснения и рекомендации к выполнению лабораторных работ в учебной САПР Ferma. 3

1.1. Разные подходы к проектированию, реализованные в Лр1 , Лр2 и Лр3 3

1.2. Лабораторные работы 1 и 2 (Лр1 и Лр2) 4

1.2.1. Общие требования и пояснения. 4

1.2.2. Технологические ограничения 5

1.2.3. Ограничения по перемещениям узлов. 6

1.2.4. Особенности лабораторной работы 2 (Лр2) 6

1.2.5. Некоторые соображения по разработке наиболее оптимальных схем: 7

1.3. Лабораторная работа 3 (Лр3) 7

1.3.1. Общие требования. 7

1.3.2. Разбиение пластины на четырехугольные конечные элементы 7

1.3.3. Анализ результатов расчета пластины 8

1.3.3. Рекомендации по построению силовых линий 8

1.4. Лабораторная работа 4 (Лр4) 9

1.4.1. Выбор конструкций 9

1.4.2. Повторный подбор стандартных элементов. 9

1.4.3. Проектировочный коэффициент 9

1.5. Завершение цикла лабораторных работ. 9

2. Требования к оформлению отчетов по Лр1, Лр2, Лр3, Лр4. 10

Общие требования к оформлению отчетов 10

2.1. К оформлению отчётов по Лр 1 и Лр2. 10

2.2. К оформлению отчётов по Лр 3 и Лр4 14

3. Требования по представлению промежуточных и окончательных результатов выполнения лабораторных работ для проверки 21

Общие требования 21

3.1. Лабороторная работа №1 22

3.2. Лабороторная работа №2 22

3.3. Лабороторная работа №3 23

3.4. Лабороторная работа №4 23

3.5. Рекомендации по уменьшению размера пересылаемого архива. 24

Внимание! Ошибка “I/Oerror 104” в САПР «Ферма» исчезает после повторного расчета на прочность, что позволяет избежать перезапуска программы посредством «Диспетчера задач».

1. Пояснения и рекомендации к выполнению лабораторных работ в учебной САПР Ferma.

1. Разные подходы к проектированию, реализованные в Лр1 , Лр2 и Лр3

Задача лабораторных работ – спроектировать силовую схему наименьшей массы. Именно схему, так как нахождение наиболее оптимальных площадей сечения стержней для спроектированной схемы решается программно (параметрическая оптимизация).

В Лр1 , Лр2 и Лр3 используются разные подходы к проектированию силовых схем.

Лр1 реализует эвристический подход по критерию массы конструкции. Здесь проектировщик самостоятельно разрабатывает структурно разные схемы, оптимизирует, удаляет или прибавляет стержни и узлы. По критерию массы конструкции он отбирает из всех разработанных им схем наилучшие.

Лр2 реализует подход на основе дополнительного критерия (силового веса). Как и в Лр1 проектировщик должен разработать структурно разные силовые схемы (для облегчения работы студентам разрешено использовать исходные схемы Лр1), но дальнейшая их оптимизация и совершенствование (удаление или добавление узлов и стержней) проводится только по дополнительному критерию. По дополнительному критерию проводится и отбор наилучших конструкций. И только эти конструкции для определения массы на заключительном этапе подвергаются параметрической оптимизации. Эти отобранные конструкции и являются результатом решения проектной задачи в Лр2.

Лр3 реализует силовой подход к проектированию силовых схем ферм на основе анализа напряженно-деформированного состояния пластины. Проектировщик строит силовые линии по наиболее нагруженным направлениям, указанным распределением напряжений в пластине, полагая, что эти направления являются предпочтительными для передачи усилий в проектируемой ферме. Здесь проектировщик основывается только на результатах обработки силовых линий и полученные конструкции, в принципе, не должны сильно изменяться в процессе совместной оптимизации, а, следовательно, удаление или добавление узлов и стержней здесь маловероятно. Если это происходит, то это есть свидетельство некорректной интерпретации напряженно-деформированного состояния пластины.

1. Лабораторные работы 1 и 2 (Лр1 и Лр2)

1.2.1. Общие требования и пояснения.

Требования

• необходимое число структурно разных исходных схем для Лр1 и Лр2 - не меньше 6;

• исходные схемы в обязательном порядке должны иметь, по крайней мере, два «свободных » узла (узлы, к которым не приложено никаких внешних сил или незакрепленные узлы);

• схем-результатов выполнения каждой из Лр1, Лр2 и Лр3 – по две (иногда – три, при близких значениях определяющего критерия), наилучших из получившихся, отобранных по тем или иным соображениям;

• все виды расчетов и оптимизаций при проектировании проводить с учетом потери устойчивости;

• скриншоты схем в отчете должны быть с подсчитанными характеристиками и размещались в понятном порядке.

Пояснения

Оптимизируя по координатам узлов (в том числе при совместной оптимизации) на самом деле определяется тенденция к изменению схемы, приводящая к лучшим результатам. Когда узлы становятся очень близкими друг к другу, то, тем самым, дается подсказка об их желательном объединении, а, иногда, добавлению. То же самое в отношении стержней. Не следует также забывать, что схему с близко расположенными узлами нельзя изготовить, что является дополнительной причиной объединения стержней. После объединения (добавления) узлов и (или) стержней получается конструкция с НОВОЙ структурой (поэтому этот процесс называется структурной оптимизацией). Эту конструкцию надо опять оптимизировать по положению узлов (в том числе при совместной оптимизации), затем, если надо, опять изменять структуру и т.д.

Если схема слабо модернизируется, то это означает или то, что Вы получили сразу оптимальное решение (что маловероятно), или просто придумали схему, обладающую малыми возможностями для модификации. В последнем случае рекомендуется увеличить число свободных узлов или изменить координаты существующих.

Скачки массы (или силового веса Лр2) при переходе от схемы с одной структурой к другой в рамках совершенствования конкретной исходной схемы - вполне нормальное явление. Только в Лр2 надо всегда сравнивать силовой вес новой оптимизированной по узлам конструкции со старым решением, но не только с  исходным старым, а и с каким-либо промежуточным (оно же лучше исходного).  Как правило, можно остановить "сползание" узлов в конструкции при оптимизации их положения на том этапе, на котором эту схему ещё можно изготовить. 

Если сама исходная схема такова, что возникает вышеперечисленная ситуация, то это говорит о том, что Вы создали нечто, что может помочь Вам отыскать нетривиальное решение.

1.2.2. Технологические ограничения

Заключительным этапом выполнения цикла лабораторных работ является замена стержней двух наиболее оптимальных силовых схем из результатов Лр1, Лр2 и Лр3 стандартными элементами (трубами) из имеющегося каталога. Это проводится в Лр4.

Но используемый сортамент стандартных элементов имеет ограничения на максимальное значение площади поперечного сечения и максимальное значение момента инерции, которые составляют, соответственно, 8.313см² и 23.5см⁴ .

Очевидно, что в случае превышения этих значений в одном или нескольких стержнях теоретически спроектированной фермы, собрать её из труб предлагаемого каталога не представится возможным. Поэтому при разработке схем в Лр1, Лр2 и Лр3 надо следить и за этими параметрами. Если значение площади поперечного сечения стержня и (или) необходимое значение момента инерции превышают максимальные из сортамента, то лучше уменьшить длину критического стержня. Последнее возможно за счет установки более коротких промежуточных стержней (т.е. надо будет изменить структуру схемы). Если это не приведет к удовлетворению ограничения на площадь и (или) момент инерции, то придется или вообще отказаться от этой схемы или использовать больший коэффициент устойчивости λ, благодаря чему уменьшаются необходимые моменты инерции стержней теоретической схемы. Правда, масса теоретической конструкции при увеличении λ тоже увеличивается.

Ещё одно соображение: самая маленькая по площади труба в сортаменте имеет площадь 0.04 см². Следовательно, если в спроектированной схеме площадь какого-то стержня будет меньше этого значения, то придется заменять этот стержень трубой площадью 0.04 см². Это приведет к увеличению веса всей конструкции. Поэтому очень маленькие площади поперечных сечений стержней не только не предоставляют преимуществ, но и свидетельствуют о том, что через такие стержни передаются очень небольшие силы, отчего необходимость присутствия таких стержней в схеме представляется сомнительным. На это тоже следует обращать внимание при проектировании схем.

1.2.3. Ограничения по перемещениям узлов.

В итоговых ферменных конструкциях перемещения узлов не должны превышать 2-3% от габаритных размеров этих конструкций;

1.2.4. Особенности лабораторной работы 2 (Лр2)

В Лр2 (в отличие от Лр1) при поиске оптимальной силовой схемы ферменной конструкции основным критерием является силовой вес. Только на заключительной стадии выполнения Лр2 после нахождения наилучших силовых схем проводится их параметрическая оптимизация по критерию массы.

Поэтому при выполнении Лр2 необходимо установить:

а) подтверждается или нет малая изменяемость силового веса в процессе параметрической оптимизации. Если подтверждается, то на сколько % максимально изменяется силовой вес?;

б) подтверждается или нет положение, что неоптимизированные по массе конструкции с меньшим силовым весом имеют меньшую массу после параметрической оптимизации. В каких рамках (процентах) изменения силового веса это утверждение будет абсолютным? 

Пояснение.

Предположим, что спроектированная по критерию силового веса конструкция с силовым весом, например, 1.454е+07Нсм после последующей параметрической оптимизации стала иметь массу больше массы другой спроектированной по критерию силового веса конструкции, но с большим силовым весом, например, 1.463 е+07Нсм (после, конечно, последующей параметрической оптимизации).

Т.е. обсуждаемое положение не выполняется. Но исследования, проведенные на большом числе экспериментов, позволяют утверждать, что это правило выполняется, когда значения силовых весов достаточно сильно отличаются друг от друга. Если сравнить значения 1.454 е+07 и 1.463 е+07, то можно подсчитать число процентов, когда обсуждаемое правило не выполняется. Из этого можно сделать вывод, что если значения силового веса отличаются больше, чем на подсчитанное число процентов, то можно говорить о точном выполнении обсуждаемого правила.

Необходимо установить по результатам численных экспериментов Лр2, на какое минимальное число процентов должны отличаться значения силового веса, чтобы можно было сказать, что правило выполняется.

Поэтому итоговая таблица по Лр2 должна иметь следующий вид:

Таблица характеристик спроектированных силовых схем в порядке возрастания силового веса (коэффициента k).

Схема
k
Число стержней
После параметрической оптимизации
k
Масса

Для получения большего количества информации необходимо прооптимизировать все конструкции, хотя цели проектирования с использованием дополнительного критерия (силового веса) это не предусматривают. Это надо сделать только в целях исследования. После таблицы – ответы на вопросы а) и б) с приведением доказательства рассчитанных процентов (формулы с цифрами, указание номеров схем, описание логики).

1.2.5. Некоторые соображения по разработке наиболее оптимальных схем:

• надо помнить, что всегда можно сделать ферму с большим числом стержней и, тем самым, быть может, более удачно

перераспределить нагрузку на большее число элементов. Большее число элементов может привести к меньшим потребным площадям и (или) моментам инерции;

• если необходимые моменты инерции и (или) площади поперечных сечений нескольких стержней теоретических схем

превышают максимальное значение используемого сортамента, то можно проектировать не при λ =50 (когда мы заведомо получаем теоретическую конструкцию меньшей массы), а при λ, например, 60 или даже больше, при которых получаются более тяжелые конструкции, но проектировщик более гарантировано удовлетворит ограничениям сортамента. В таких случаях разница между теоретическими изысканиями и практическим воплощением может оказаться меньше. Но переход к другому λ следует обосновать.

1. Лабораторная работа 3 (Лр3)

1.3.1. Общие требования.

• схем-результатов выполнения Лр3 – должно быть две (иногда – три, при близких значениях определяющего критерия), наилучших из получившихся, отобранных по тем или иным соображениям;

• все виды расчетов и оптимизаций при проектировании проводить с учетом потери устойчивости.

1.3.2. Разбиение пластины на четырехугольные конечные элементы

При выполнении Лр3 необходимо разбить пластину на число конечных элементов, близкое к максимально возможному.

При разбиении рекомендуется сначала провести линии разбиения через точки приложения сил и закрепления с помощью подсистемы «Конструктор», а только затем с помощью панели построения добавить остальные линии разбиения. Учесть, что при использовании элемента «Разбиение с постоянным шагом» количество узлов по осям следует задавать с учетом уже 2-ух имеющихся по умолчанию на границах области. Чтобы убедиться в том, что линия проведена (или все линии проведены) надо закрыть и сохранить проект и открыть его вновь.

1.3.3. Анализ результатов расчета пластины

После выполнения расчета напряженно-деформированного состояния пластины в Лр3 строится таблица