Разработка динамических моделей для анализа вантово-стержневых систем при воздействии торнадо тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.17, кандидат технических наук Григорьев, Никита Алексеевич

• Григорьев, Никита Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Григорьев, Никита Алексеевич

Введение.

1. Общие сведения о торнадо и краткий обзор известных исследований в этой области.

1.1. Общие сведения о торнадо.

1.2. Краткий обзор исследований в области численных методов расчета.

2. Численный метод решения динамических задач для системы под воздействием торнадо.

2.1. Описание используемой явной схемы интегрирования уравнений движения.

2.2. Модель ветрового воздействия.

2.2.1.Вихрь Ренкина.

2.2.2.Воздействие на линейные элементы.

2.2.3. Особенности вычисления ветрового воздействия на балку жесткости.

2.3. Учет сил демпфирования с использованием обобщенной модели

Прандтля.

2.3.1. Описание предлагаемого подхода.

2.3.2. Алгоритм вычисления усилий.

2.3.3. Эксперимент.

2.3.4. Подбор параметров для модели трения на основании данных, полученных из эксперимента.

3.Исследование некоторых вантово-стержневых систем под ветровым воздействием торнадо.

3.1. Мачта.

3.2. Крупногабаритная антенная система.

3.3. Сквозное пролетное строение железнодорожного моста.

3.4. Висячий мост.

3.5. Байтовый мост.

4.Моделирование ударных воздействий захваченных вихрем предметов.

4.1. Описание модели вычисления контактных сил.

4.2. Расчет на удар автомобиля в подвеску висячего моста, исследование сходимости полученных результатов.

4.3. Расчет на совместное воздействие от торнадо и удара летящего автомобиля в подвеску.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка динамических моделей для анализа вантово-стержневых систем при воздействии торнадо»

Актуальность работы

Торнадо - наименьшая по диаметру и наибольшая по скорости вращения форма вихревых движений воздуха [49]. Скорости вращения воздуха в воронке достигают 100 м/с и более, что приводит к огромным разрушениям на пути следования торнадо. По энергии, которую вихрь тратит на протяжении своего пути, торнадо часто сравнивают с энергией взрыва атомной бомбы.

В последнее время все чаще появляются сообщения о замеченных торнадо (смерчах) во многих странах мира. Только за 4,5 месяца 2011 года в США было зафиксировано 1200 случаев торнадо. Несмотря на то, что наиболее подвержены этому природному явлению страны Северной Америки, весьма сильные вихри наблюдаются и в других странах, в том числе и в России. Наиболее мощные вихри наблюдались в г. Иваново в 1984г, в Москве в 1904г, в Новосибирской области в 1994г., во Владивостоке в 1997г., в Благовещенске в 2011г. [69,78,86]. Скорости ветра в большинстве из них достигали 92 м/с, а в некоторых случаях превышали и это значение.

В настоящее время задача воздействия торнадо на стержневые и вантовые системы еще не получила исчерпывающего решения. Для анализа рассматриваемого воздействия весьма эффективным является использование численных методов интегрирования уравнений движения, основанных на явных вычислительных схемах. Разработка соответствующих математических моделей и реализация их в виде программных модулей позволяет анализировать сложные пространственные конструкции, с определением предельных параметров ветрового воздействия. Алгоритмы и результаты анализа сложных пространственных систем представляют существенный практический интерес.

Целью настоящего исследования является разработка динамических моделей, позволяющих получать характеристики напряженно-деформированного состояния пространственных нелинейных вантово-стержневых систем при воздействии торнадо.

Основными задачами работы являются следующие:

1. Разработка алгоритмов и отладка программных модулей, позволяющих вводить в расчет ветровую нагрузку от воздействия торнадо.

2. Исследование динамического процесса ударного взаимодействия предметов, захваченных вихревой воронкой.

3. Совершенствование учета сил демпфирования при анализе нелинейного динамического поведения вантово-стержневой системы.

4. Анализ поведения конструкций различного типа при воздействии торнадо с выявлением предельных характеристик торнадо.

5. Анализ области возможного использования квазистатических решений для определения параметров динамического деформирования вантово-стержневых систем при воздействии торнадо.

Научная новизна работы:

1. Получена математическая модель для исследования динамического поведения сложных нелинейных пространственных вантово-стержневых систем при воздействии торнадо.

2. Определены предельные характеристики торнадо для сложных пространственных нелинейно-деформируемых систем (крупногабаритная тросовая антенна, висячий и вантовый мосты, сквозное пролетное строение моста) с анализом возможности последовательных разрушений.

3. Развит вычислительный алгоритм для моделирования ударного взаимодействия предмета, захваченного торнадо, с элементом вантовой системы. Дан пример применения алгоритма.

4. Разработана методика определения невыгодной траектории движения торнадо и дан пример ее использования для пространственной стержневой фермы.

5. Разработан способ учета внутреннего трения в материале, основанный на обобщенной модели Прандтля. Получена и реализована экспериментальная методика определения характеристик внутреннего трения.

Практическая ценность работы заключается в:

1. Полученных предельных параметрах торнадо для конкретных систем (мачтовая система, крупногабаритная тросовая антенна, висячий мост);

2. Расширении возможностей пакета прикладных программ по расчету вантово-стержневых систем;

3. Определении возможности использования квазистатических решений, приближенно заменяющих динамический анализ.

Достоверность научных исследований подтверждается использованием численных алгоритмов, основанных на законах механики; сопоставлением результатов численного моделирования с экспериментальными данными; сравнением полученных решений с решениями, полученными другими методами; использованием общепринятой модели ветрового воздействия; исследованием сходимости полученных результатов при уменьшении шага по времени и изменении размеров дискретных элементов расчетной схемы.

Заключение диссертации по теме «Строительная механика», Григорьев, Никита Алексеевич

Основные результаты и выводы

1. Разработан алгоритм анализа сложных пространственных физически и геометрически нелинейных вантово-стержневых систем при воздействии торнадо.

2. Развит вычислительный алгоритм для моделирования ударного взаимодействия предмета, захваченного торнадо, с элементом вантовой системы. Дан пример определения минимальной скорости летящего предмета, приводящей к разрушению подвески висячего моста.

3. Предложена новая модель внутреннего трения, применимая для нелинейного динамического анализа в шаговых методах расчета.

4. Написаны и отлажены программные модули, реализующие учет ветрового воздействия торнадо по модели вихря Ренкина на стержневые элементы и балку жесткости висячих и вантовых мостов. Написаны программные модули, реализующие учет внутреннего трения. Они встроены в вычислительный комплекс, разработанный на кафедре «Строительная механика» МИИТа.

5. Проведен анализ работы различных геометрически нелинейных вантово-стержневых систем (тросовая антенна, мачта, висячий и вантовый мосты, ферма железнодорожного моста) при воздействии торнадо. Разработана методика определения предельных разрушающих характеристик вихря и нахождения наиболее невыгодных траекторий его движения. Даны примеры использования разработанных методик.

6. Предложена методика экспериментального определения параметров внутреннего трения, с использованием которой получены характеристики, необходимые для учета сил демпфирования.

7. Показано, что для большинства конструкций возможен квазистатический подход к определению максимальных усилий и перемещений при воздействии торнадо. Найдены случаи, когда учет динамических эффектов является необходимым (конструкции с большими периодами собственных колебаний, более 20 е.).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Григорьев, Никита Алексеевич, 2011 год

1. Александров A.B., Зылев В.Б., Соловьев Г.П. Статический расчет системы непологих нитей при действии неконсервативной нагрузки // Строит. Механика и расчет сооружений. 1983. - №3. - с. 16-22.

2. Александров A.B., Шапошников H.H., Зылев В.Б. О совершенствовании методов расчета висячих конструкций // Строит. Механика и расчет сооружений. 1985. -№4.-с. 31-35.

3. Александров A.B., Потапов В.Д., Зылев В.Б. Строительная механика. Книга 2. Динамика и устойчивость упругих систем. М. : Высшая школа, 2008. - 384 с.

4. Алексеенко C.B., Куйбин П.А., Окулов B.JI. Введение в теорию концентрированных вихрей. Новосибирск: Институт теплофизики СО РАН, 2003. - 504 с.

5. Бесядовский А.Р. Оценка сил, действующих на надводную часть судна // Катера и Яхты. 2008г. - №211. - с. 96-100.

6. Бирбраер А.Н., Шульман С.Г. Прочность и надежность конструкций АЭС при особых динамических воздействиях. М. : Энергоатомиздат, 1989. - 304с.

7. Бирбраер А.Н., Волкодав И.А. Пробивание строительных конструкций разрушающимся летящим телом // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2009. - №2. - с. 24-28.

8. Боев А.Г. Плазменная теория смерча // Вопросы атомной науки и техники (ВАНТ) 2008.-№4.-с. 133-138.

9. Боев А.Г. Электромагнитная теория смерча.1. Электродинамика вихря. // Радиофизика и радиоастрономия, 2009. т.14, №2. - с. 121-149.

10. Богданов Г.И., Владимирский С.Р., Козьмин Ю.Г., Кондратов В.В. Проектирование мостов и труб. Металлические мосты: Учебник для вузов ж.-д. транспорта / Под ред. Ю.Г. Козьмина. М.: Маршрут, 2005. - 460 с.

11. Бородачев Н.М. Динамическая контактная задача для полупространства. В кн. Коренев Б.Г. Динамический расчет сооружений на специальные воздействия. М: Стройиздат, 1981. -с. 129-135.

12. Гордеев В.Н., Лантух-Лященко А.И., Пашинский В.А., Перельмутер A.B., Пичугин С.Ф. Нагрузки и воздействия на здания и сооружения. М. : Издательство Ассоциации строительных вузов, 2006. - 482с.

13. Горшков А.Г., Тарлаковский Д.В. Динамические контактные задачи с подвижными границами. М.: Наука Физматлит., 1995. - 352 с.

14. Григорьев H.A. Расчет конструкций на воздействие торнадо // Тезисы научно-практической конференции Неделя науки 2009 «Наука МИИТа - транспорту», М., 2009.

15. Григорьев H.A. Динамические и квазистатические решения для вихревого воздействия по Ренкину. // Тезисы научно-практической конференции Неделя науки 2010 «Наука МИИТа - транспорту». - М., 2010. - c.VI-5.

16. Григорьев H.A. Расчет конструкций на удары летящих предметов при проходе торнадо // Строительная механика и расчет сооружений. 2011г. - №3 - с. 51-54

17. Григорянц М.С., Лукьянова В.Н. Определение частот и форм колебаний абсолютно гибкого стержня, нагруженного аэродинамическими силами. В кн: Расчеты на прочность. - М: Машиностроение. - 1983. - вып.23. - с. 222-226.

18. Гутман Л. С. Теоретическая модель смерча // Изв. АН СССР, сер. геофиз. 1957. - № 1. - с. 79-93.

19. Дарков A.B., Шапошников H.H. Строительная механика. Издание восмое. М.: «Высшая школа», 1986. 608 с.

20. Динамический расчет специальных инженерных сооружений и конструкций / Ю.К. Абриашвили, А.И. Ананьин, А.Г. Барченков и др.; Под ред. Б.Г. Коренева, А.Ф. Смирнова: (справочник проектировщика).- М.: Стройиздат, 1986. с. 26-28.

21. Дривинг А.Я. Устойчивость мачт на оттяжках. М.:Стройиздат., 1964. - 112 с.

22. ДСТУ 3994-2000. Надзвичайш ситуацп природт. Чинники ф1зичного походження.-Киев: Держстандарт, 2001. 28 с.

23. Заволженский М.В., Руткевич Б.П. Формирование хобота смерча из материнского облака // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса.2008.-№1 с. 472-477.

24. Зылев В.Б., Соловьев Г.П., Штейн A.B., Вяжлинский А.Д. Исследование сложной нелинейной системы // Межвузовский сборник МИИТ. 1984. - вып. 749. Численные методы решения задач строительной механики. - с. 28-35.

25. Зылев В.Б., Штейн A.B. Численное решение задачи о нелинейных колебаниях системы нитей //Строительная механика и расчет сооружений. 1986. - №6. -145 с.

26. Зылев В.Б. Вычислительные методы в нелинейной механике конструкций. М.: НИЦ *Инженер*, 1999. - 144с

27. Зылев В.Б., Штейн A.B., Григорьев H.A. Расчет конструкций на воздействие торнадо с использованием вихря Ренкина // Строительная механика и расчет сооружений.2009. №6. - с.27-30.

28. Зылев В.Б.,Штейн A.B.,Григорьев H.A. Воздействие торнадо на крупногабаритную тросовую систему // «Вестник отделения строительных наук» РААСН. 2010. - вып. 14., т. 1 - с. 72-74.

29. Зылев В.Б., Григорьев H.A. Обобщенная модель Прандтля для учета сил внутреннего трения // Строительная механика и расчет сооружений. 2011г. - №1. - с. 58-62.

30. Зылев В.Б., Григорьев H.A. Определение невыгодной траектории движения торнадо на примере неразрезной фермы // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2011г. - №4. - с. 41-46.

31. Иванченко И.И. Динамика транспортных сооружений (высокоскоростные подвижные, сейсмические и ударные нагрузки). М.: Наука, 2011. -575с.

32. Ильин В.П., Карпов В.В., Масленников A.M. Численные методы решения задач строительной механики. Справочное пособие. Минск: Вышэйная школа, 1990. -351 с.

33. Казакевич М.И. Аэродинамика мостов. М.: «Транспорт», 1987. - 240 с.

34. Качурин В.К. Гибкие нити с малыми стрелками. М.: ГИТТЛ. 1956. - 224 с.

35. Кесельман JI.M. Разработка и исследование методов статического расчета воздушных линий электропередачи. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: изд. МИИТ. - 1985. - 48 с.

36. Колобков Н. В. Грозы и шквалы. М.: Гидрометеоиздат., 1951. 349 с.

37. Колобков Н.В. Смерч под Москвой // Метеорология и гидрология. 1957. - №6. -с.32-33.

38. Колчунов В.И. Прочность и деформативность железобетонных конструкций при запроектных воздействиях М.: Издательство АСВ, 2004. - 216 с.

39. Круглов В.М., Косицын С.Б., Потапов В.Д., Долотказин Д.Б., Лукьянов М.А. Статические расчеты вантового моста с арочным пилоном // Строит.механика и расчет сооружений. 2008. - №5. - с. 19-23.

40. Мацелинский Р.Н. Статический расчет гибких висячих конструкций. -М.:Стройиздат, 1950. 191 с.

41. Мельников В.П., Смульский И.И. Механизмы атмосферных вихрей // Криосфера Земли. 1997. - №.1. - с.87-96.

42. Мосты и трубы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.03-84* : СП 35.13330.2011. -М., 2011.-341с.

43. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*: СП 20.13330.2011. М., 2011. - 81с.

44. Наливкин Д.В. Ураганы, бури и смерчи. Лен.: Наука, 1969. - 488 с.

45. Наливкин Д.В. Смерчи.- М.: Наука, 1984. 112 с.

46. Перельмутер A.B. Основы расчета вантово-стержневых систем. М.: «Стройиздат.»,1969. -189 с.

47. Переходцева Э.В. Прогноз шквалов статистическими методами классификации на основании диагностических и прогностических синхронных связей // Труды Гидрометцентра СССР. 1985. - вып.271. - с. 37-60.

48. Переходцева Э.В. Модель гидродинамико-статистического прогноза с заблаговременностью 12-48 ч сильных шквалов и смерчей по территории Сибири // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. -№1, т.8. - с. 263-270.

49. Перышкин И. Н. Смерч в Белоруссии // Метеорология и гидрология. -1957. № 5. -с. 29-30.

50. Петров Д. А., Цибаров В. А. Предельная модель влажного торнадо // Вестник Санкт-Петербургского университета. 2010. - сер. 1: Математика. Механика. Астрономия, -с. 45-54.

51. Петров И.Б., Холодов A.C. Численное исследование некоторых динамических задач механики деформируемого твердого тела сеточно-характеристическим методом. //120л\.уриал вычислительнии математики и математическим физики. — lyot. — —с.722 739.

52. Петров И.Б. Численное моделирование динамических процессов в сложных конструкциях при их интенсивном динамическом нагружении // Вестник РГУ им. И.Канта. 2006. - вып. 10. Физико-математические науки. - с. 36-49.

53. Петропавловский A.A. Байтовые мосты. М: Транспорт, 1985. - 224 с.

54. Писанов В.Н. Общее уравнение упругой линии при вертикальной нагрузке //Строит, механика и расчет сооружений. 1980. - №3. - с. 32-36.

55. Писанов В.Н. Расчет гибкой упругой нити методом заданных деформаций, с использованием общего уравнения равновесия // Строит, механика и расчет сооружений. 1982. - №1. - с.32-36.

56. Плотников В.В., Тунеголовец В.П. Безопасность жизнедеятельности. Учебное пособие. Владивосток: ДВГУ-Дальрыбвтуз, 2001г. - 265 с.

57. Политов В. С. Аналитическая модель смерча (торнадо) // Труды V Забабахинских научных чтений. Снежинск (Россия). - 1998. - с. 45-54.

58. Попов Н И. Смерчи на побережье Черного моря // Метеорология и гидрология -1955.-№ 5, с.35-37.

59. Попов Б. М. Прохождение смерча по г. Ростову Ярославской обл. 24 августа 1953 г. // Метеорология и гидрология -1954. №3. - с. 27-30.

60. Потапов В.Д., Папаев М.А. Аэродинамическая устойчивость висячих и вантовых мостов при стохастическом воздействии // Строительная механика и расчет сооружений. -2009. -№3. с. 38-47.

61. Предотвращение прогрессирующего обрушения железобетонных монолитных конструкций зданий. Проектирование и расчет: СТО 008 - 02495342. - 2009. - 20 с.

62. Рекомендации по определению расчетных характеристик смерчей при размещении атомных станций.: РД 95 1044444-91.-М.: Атомэнергопроект, 1991. 48с.

63. Рекомендации по оценке характеристик смерча для объектов использования атомной энергии.: РБ-022-01. М.: НТЦ ЯРБ Госатомнадзора России,- 69 с.

64. Ремизов Г. А. Торнадо под Москвой // Природа. 1954. - т. 43, № 8, с. 100-102.

65. Руководство по безопасности №50-SG-SllA. Учет экстремальных метеорологических явлений при выборе площадок АЭС (без учета тропических циклонов). Вена: МАГАТЭ. - 1983. - 75с.

66. Сафронов B.C., Барченков А.Г. Расчет свободного нелинейного движения существенно непологой гибкой нити // в кн.: Исследование висячих комбинированных конструкций. Воронеж: изд-во ВГУ. - 1979. - 84 с.

67. Сафронов B.C. Расчет висячих и вантовых мостов на подвижную нагрузку. -Воронеж: изд-во ВГУ. 1983. -196 с.

68. Светлицкий В.А. Механика гибких стержней и нитей. М.: Машиностроение. - 1978.- 222 с.

69. Симиу Э., Сканлан Р. Воздействие ветра на здания и сооружения / Пер. с англ.Б.Е. Маслова, A.B. Швецовой; Под ред. Б.Е. Маслова. М: Стройиздат, 1984. - 360 е., ил.- Перевод. Изд.: Wind Effects on Structures / E. Simiu, R. Scanlan (1978)

70. Смирнов В.А. Висячие мосты больших пролетов. М: «Высшая школа», 1970. - 408 с.

71. Старов Д.К. Смерчи на Черном и Азовском морях. // Записки по гидрографии. -1935.-№1.-с.56-58.

72. Строительство мостового перехода на о. Русский через пролив Босфор Восточный в г.Владивостоке. Общая пояснительная записка. 2008г. -ч. 1. Том 1.1 к. ООО «НПО «Мостовик» - 115 с.

73. Тирон 3. М. Ураганы. Л.: Гидрометеоиздат, 1964. 328 с.

74. Учет внешних событий, исключая землетрясения, при проектировании атомных электростанций руководство № NS-G-1.5. Вена. - Международное агентство по атомной энергии, 2003. - 105 с.

75. Федоров B.C. Экспериментальные исследования нарезрезных двухпролетных стальных балок при запроектных воздействиях /B.C. Федоров, Е.А. Меднов// Известия ОрелГТУ. Строительство и реконструкция. №6 / 26, 2009. - С.66-68.82.