ЛИРА / Методички

Расчет плоской стержневой системы с помощью программного комплекса ЛИРА


ЛИРА-Windows (версия 9.4) — программный комплекс, предназначенный для расчета конструкций на прочность, устойчивость и колебания. В основе комплекса лежит численная реализация метода конечных элементов в перемещениях. Структурно программа состоит из единой графической среды — ЛИР-ВИЗОРа — и расчетного процессора. Для начала работы с программой надо выполнить файл liraw32.exe (Пуск/Программы/Лира 9.4/Лupa 9.4).

Режим начальной загрузки

Этот экран появляется при первоначальной загрузке ЛИР-ВИЗОРа после установки программы ЛИРА-Windows на компьютер (если ранее не было создано ни одного файла с исходными данными в рабочих каталогах системы) или при закрытии всех окон с ранее загруженными задачами.

Для работы с существующей задачей необходимо выполнить команду Открыть в меню Файл.

Рис. 1. Создание новой задачи

Для создания новой задачи необходимо выполнить команду Новый в меню Файл. В открывшемся окне диалога (рис.1.) ввести имя задачи, указать признак схемы и нажать кнопку Подтвердить, после чего программа переходит в режим формирования расчетной схемы.

Режим формирования расчетной схемы

В режиме формирования расчетной схемы предлагается возможность создания геометрии конструкции, описания жесткостных характеристик ее элементов, наложение связей, задание нагрузок, шарниров, жестких вставок и прочее. При загрузке ЛИР-ВИЗОРа открывается рабочее окно с последней задачей, с которой работала система.

Экран (рис. 2.) содержит меню, панели инструментов и окно отображения расчетной схемы.

Кнопки панелей инструментов дублируют некоторые команды и операции, доступные из меню.

Рис. 2. Рабочее окно ЛИР-ВИЗОРа

Меню Режим позволяет выбрать один из трех возможных режимов работы ЛИР-ВИЗОРа, а именно: расчетная схема, выполнение расчета, результаты расчета.

Меню Вид позволяет управлять различными вариантами отображения расчетной схемы на экране (проекции, произвольные повороты, сечения, фрагментация части конструкции, и т.д.)

Меню Выбор содержит команды, позволяющие выбрать (выделить, отметить) отдельные узлы, элементы или части конструкции. Это необходимо, потому что большинство операций в ЛИР-ВИЗОРе производится именно над выделенными узлами, элементами и их сочетаниями, т.е. тем самым мы указываем программе те объекты, над которыми должны выполняться те или иные операции (например, фрагментация, удаление, перемещение и т.д.). Кроме того, здесь содержится команда позволяющая получить и отредактировать информацию о любом узле или элементе расчетной схемы, указав его на расчетной схеме.

Меню Схема содержит команды создания, корректировки геометрии расчетной схемы, учета граничных условий, задания расчетных сечений стержней, объединения перемещений и некоторые другие.

Меню Жесткости позволяет создать различные виды жесткостей (сечений), назначить их элементам (т.е. сказать программе, что данный элемент имеет данное сечение), задать жесткие вставки в стержнях и угол вращения местных осей (поворот сечения стержня относительно его продольной оси).

Меню Нагрузки позволяет создать несколько загружений (вариантов нагрузки) расчетной схемы, задать статические нагрузки на узлы и элементы (отмеченные), создать РСУ (расчетные сочетания усилий), динамические нагрузки и смоделировать нелинейные загружения (т.е. задать расчет конструкции с учетом физической нелинейности материала и геометрической нелинейности элементов конструкции).

Меню Опции содержит некоторые настройки программы. В частности пункт Флаги рисования позволяет указывать программе, какую информацию о расчетной схеме необходимо вывести на экран (например, номера элементов, узлов, тип сечения и т.д.).

Меню Окно позволяет управлять окнами задач, переключаться между одновременно открытыми задачами, содержит программу графического документирования и два вида табличной формы представления исходных данных и результатов расчета — стандартные и интерактивные таблицы.

Режим просмотра результатов расчета

Меню Файл, Вид, Режим, Опции аналогичны соответствующим меню режима формирования расчетной схемы, описанным выше.

Меню Выбор дополнилось командами выбора текущего загружения (для которого будут показываться результаты) или РСН (расчетного сочетания нагрузок, т.е. линейной комбинации загружений). Информация о любом узле или элементе расчетной схемы теперь показывает результаты расчета для данного элемента (для узла — перемещения, для элемента — усилия).

Меню Схема содержит команды, позволяющие вывести на экран деформированную схему конструкции, формы колебаний и потери устойчивости.

Меню Деформации позволяет отобразить на расчетной схеме узловые перемещения и изополя перемещений (только для плоских и объемных элементов) в глобальной и локальной системах координат.

Меню Усилия позволяет отобразить на расчетной схеме эпюры усилий стержневых элементов, изополя напряжений для плоских и объемных элементов в глобальной и локальной системах координат, а также изополя главных и эквивалентных напряжений.

Пример. Произвести расчет рамы трехпролетного промышленного здания (рис. 3.) на действие следующих нагрузок:

  • собственный вес;
  • нагрузка от оборудования и снеговая нагрузка;
  • статическая ветровая нагрузка.

Высота этажа — 4 м.
Пролеты — 3.6, 6 и 6 м

Рис. 3. Поперечный разрез промышленного здания

Рис. 4. Диалоговое окно для создания плоских фрагментов и сетей

Для создания новой задачи в меню Файл надо выполнить команду Новый. В открывшемся диалоговом окне (рис. 1.) указать название задачи — rama, и указать 5-й признак схемы, после чего нажать кнопку Подтвердить.

Для создания регулярной рамы выполняем пункт меню Схема/Создание/Регулярные фрагменты и сети. В диалоговом окне указываем приведенные на рис. 4. значения и нажимаем кнопку Применить. В окне расчетной схемы появляется рама, изображенная на рис. 5. Для удаления лишних узлов и элементов в меню Выбор выполняем пункты Отметка узлов и Отметка элементов. На экране указываем («щелкаем») эти узлы и элементы (они отмечаются красным цветом). Для отмены выделения используется пункт меню Выбор/Отмена выделения. Удаление выделенных элементов производится командой Схема/Корректировка/Удаление. Теперь расчетная схема имеет вид, изображенный на рис. 6.

Рис.5. Создание расчетной схемы. Первый шаг

Рис.6. Создание расчетной схемы. Второй шаг

Для создания фермы выполняем пункт меню Схема/Создание/Фермы. В открывшемся окне диалога указываем 3-й тип фермы (2-я сверху кнопка в левом столбце на рис. 7). В следующем диалоговом окне указываем 2-й вариант фермы (1-я кнопка в правом столбце), ее размеры и другие параметры (рис. 8). Затем нажимаем кнопку Подтвердить.

Рис.7. Выбор плоской фермы

Рис.8. Диалоговое окно для создания плоских ферм

Добавим шарниры, в соответствии с расчетной схемой. Для этого, сначала, отмечаем на схеме элементы (Выбор/Отметка элементов), у которых должен быть шарнир в начале (балка правого пролета) и выполняем пункт меню Жесткость/Шарниры. В открывшемся диалоговом окне указываем (отмечаем) направления, по которым имеется свободное перемещение. В нашем случае — поворот вокруг Y(UY) для 1-го узла. Затем нажимаем Подтвердить. Проделаем то же самое для среднего горизонтального стержня (балка центрального пролета), с той лишь разницей, что шарнир указываем во 2-м узле. Результат показан на рис. 9.

Рис.9. Создание расчетной схемы. Третий шаг

Для дальнейшей работы надо сделать упаковку схемы — Схема/Корректировка/Упаковка схемы, т.е. избавиться от удаленных и дублирующихся узлов и элементов.

Учет граничных условий производится путем наложения связей на узлы схемы. Для этого отметим нижние узлы нашей расчетной схемы и выполним пункт меню Схема/Связи. В диалоговом окне отмечаем направления, по которым следует наложить связи. Для нашей задачи — все 6 направлений, т.е. внизу стержни защемлены.

Следующий шаг — задание жесткостей (сечений) элементов конструкции. В диалоговом окне Жесткости/Жесткости элементов для создания нового типа сечения нажимаем кнопку Добавить, в закладке Стандартные типы сечений выбираем (т.е. делаем двойной щелчок на соответствующем изображении) тип сечения Брус (рис. 10) и в открывшемся диалоговом окне задаем характеристики сечения (рис. 11).

Рис. 10. Диалоговое окно для задания жесткости элементов

Рис.11. Диалоговое окно для задания характеристик прямоугольного сечения

После этого нажимаем кнопку Подтвердить, и заданное нами сечение заносится в список сечений (его название появляется в списке в левой части окна диалога). Теперь в закладке Стандартные типы сечений выбираем тип сечения Кольцо и задаем его характеристики так, как показано на рис. 12. Затем нажимаем кнопку Подтвердить и этот тип сечения также добавляется в список сечений. Указываем в списке сечений 1-й тип сечения (Брус 20x30) и нажимаем кнопку Установить как текущий тип, таким образом назначив этот тип сечения текущим (его название помещается в поле Текущий тип жесткости этого же окна диалога).

Рис. 12. Диалоговое окно для задания характеристик кольцевого сечения

Назначим текущий тип жесткости (Брус 20x30) вертикальным и горизонтальным стержням (балкам и колоннам рамы). Для этого выбираем пункт меню Выбор/Отметка элементов и отмечаем на схеме все элементы конструкции, кроме элементов фермы (это можно сделать путем указания на схеме по порядку отдельных элементов или "растянув" окно вокруг нужных элементов при нажатой левой кнопке мыши). Теперь нажимаем кнопку Назначить жесткость в окне Жесткости элементов, при этом снимается отметка элементов, что говорит об успешном выполнении последней операции.

Назначим элементам фермы 2-й тип сечения — Кольцо 10x9.5. Для этого в диалоговом окне Жесткость/Жесткости элементов, в списке сечений указываем 2-й тип сечения, после чего нажимаем кнопку Установить как текущий тип. На схеме отмечаем все элементы фермы и нажимаем кнопку Назначить жесткость в окне Жесткости элементов.

Перейдем к заданию нагрузок на конструкцию. Номер (название) текущего загружения отображается в верхнем левом углу окна расчетной схемы. По умолчанию текущим загружением является 1-е загружение, в котором зададим нагрузку от собственного веса конструкции. Для этого выбираем пункт меню Нагрузки/Добавить собственный вес (на все элементы). При этом на схеме появляется условное изображение равномерно распределенных сил, приложенных к элементам конструкции.

Создадим новое загружение — Нагрузки/Выбор загружения. В появившемся окне диалога зададим 2-й номер загружения и нажмем Подтвердить (рис. 13), при этом пропадает изображение нагрузок 1-го загружения.

Рис. 13. Задание номера загружения

Во 2-м загружении зададим снеговые нагрузки и нагрузки от оборудования и складируемых материалов. Отмечаем на расчетной схеме узлы верхнего пояса фермы и выбираем пункт меню Нагрузки/Нагрузка на узлы и элементы. В открывшемся диалоговом окне задаем направление, тип и величину нагрузки как это показано на рис. 14 и рис. 15.

Затем нажимаем кнопку Подтвердить и на расчетной схеме условно отображается заданная нами нагрузка. Теперь зададим нагрузку на балки — отмечаем 3 нижних горизонтальных стержня и выбираем пункт меню Нагрузки/Нагрузка на узлы и элементы. В диалоговом окне задаем направление нагрузки, систему координат и тип элемента, как показано на рис. 16 и рис. 17.

Рис.14. Диалоговое окно для задания внешних силовых нагрузок

Рис. 15. Задание величины внешней силовой нагрузки

Рис. 16. Задание вертикальной нагрузки

Рис. 17. Задание величины вертикальной нагрузки

Затем указываем тип нагрузки — равномерно распределенная по длине стержня. В открывшемся окне диалога Параметры местной нагрузки задаем 1.5 т/м и нажимаем Подтвердить. Заданная нагрузка схематично отображается на расчетной схеме. Создаем новое загружение с номером 3 аналогично предыдущему.

Здесь зададим статическую ветровую нагрузку на конструкцию. Для этого отметим на схеме два самых левых вертикальных стержня и выберем пункт меню Нагрузки/Нагрузка на узлы и элементы. В диалоговом окне задаем направление нагрузки, систему координат и тип элемента, как показано на рис. 9.19.

Затем указываем тип нагрузки — неравномерно распределенная по длине нескольких стержней. В открывшемся окне диалога Неравномерная нагрузка задаем параметры нагрузки Р0 = -0.05, Р1 = -0.1, вдоль Z. После этого нажимаем Подтвердить. Создание расчетной схемы на этом закончено. Перед расчетом рекомендуется ее упаковать (Схема/Корректировка/Упаковка схемы) и сохранить (Файл/Сохранить). Для выполнения расчета задачи выбираем пункт меню Режим/Выполнить расчет.

Рис.18. Задание горизонтальной нагрузки

После завершения расчета, если он прошел без ошибок, переходим в режим просмотра результатов расчета — пункт меню Режим/Результаты расчета.

Результаты расчета отображаются для текущего загружения. По умолчанию текущим является первое загружение. Выбор загружения производится путем выбора пункта меню Выбор/Выбор загружения.

Результаты расчета в программе могут быть представлены в двух формах — графической (в виде эпюр и изополей на расчетной схеме) и табличной.

Для получения полной информации о результатах расчета для одного узла или элемента (рис. 19) выбираем пункт меню Выбор/Информация об узле или элементе, после чего указываем на схеме интересующий нас узел или элемент. Или Выбор/Информация об узле/ элементе №.

Рис.19. Информация о результатах расчета для элемента и узла

Табличные формы отображения результатов расчета доступны из пунктов меню Окно/Интерактивные таблицы и Окно/Стандартные таблицы.

Отображение на экране деформированной схемы производится путем выбором пункта меню Схема/Исходная схема или Схема/Исходная + деформированная (рис. 20).

Рис. 20. Деформированная схема

Возврат к исходной схеме — Схема/Исходная схема. Усилия для стержневых элементов в виде эпюр доступны из меню Усилия/Эпюры. В этом меню надо выбрать интересующее вас усилие и вид его представления (эпюра или клеенка), после чего на расчетной схеме для каждого элемента будет отображена эпюра (клеенка) выбранного усилия для всех элементов (например, см. рис. 21).

Рис .21. Эпюра усилий

Для отображения перемещений узлов конструкции надо выбрать направление перемещения в пункте меню Деформации/В глобальной системе/Узловые перемещения. При этом узлы окрашиваются в цвета, соответствующие величине перемещений.

В программе предусмотрена возможность получения результатов от произвольного сочетания нагрузок из разных загружений. Эта операция доступна в меню Усилия/РСН (т.е. расчетные сочетания нагрузок). В открывшемся одноименном диалоговом окне нажимаем кнопку Сочетания пользователя, в результате чего в таблице РСН появляется новый столбец сочетание I. С коэффициентами, указанными в этом столбце, загружения войдут в линейную комбинацию данного РСН. После редактирования значений (рис. 22) необходимо обязательно нажать кнопку Расчет. Для просмотра результатов надо выбрать в качестве текущего загружения интересующий вас РСН — Выбор/Выбор РСН. Все результаты для него отображаются также, как и для обычных загружений (см. выше).

Рис. 22. Назначение расчетного сочетания усилий