виртуальное конструкторское бюро
МДС: Программа для точного расчёта и проектирования конструкций нового поколения
Как искусственный интеллект и механика дискретных связей меняют подход к прочности и долговечности материалов. Решения для инженеров, строителей и инвесторов.
1
Виртуальное конструкторское бюро
Добро пожаловать в мир инженерии будущего
Мы рады представить не просто программу для расчётов, а полноценное виртуальное конструкторское бюро, способное изменить правила игры в проектировании и строительстве.
Этот инструмент не только упрощает инженерные задачи, он даёт возможность создавать надёжные, эффективные и долговечные конструкции, освобождая инженеров от ограничений традиционных методов.
Сегодня строительная и проектная отрасли сталкиваются с вызовами: растущие требования к точности и надёжности требуют от решений большего, чем могут предложить устаревшие подходы. Методы, такие как механика сплошной среды (МСС) и метод конечных элементов (МКЭ), основываются на упрощённых моделях, которые игнорируют микроструктуру материалов и не учитывают процессы разрушения на микроуровне. Эти ограничения становятся критическими в сложных условиях эксплуатации: от сейсмической активности до экстремальных температур.
Механика Дискретных Связей (МДС) предлагает новый взгляд на природу материалов.
Этот подход моделирует их как систему частиц (зёрен) и связей между ними, раскрывая процессы, которые раньше оставались за гранью понимания. С внедрением искусственного интеллекта МДС превращается в инструмент следующего поколения, способный:
В этом лонгриде мы расскажем, что лежит в основе МДС, как он работает и почему сочетание этой методики с искусственным интеллектом может превратить вашу идею в прорывной стартап. Эта информация будет полезна не только инженерам, архитекторам и строителям, но и тем, кто ищет перспективные инвестиционные возможности в области инновационных технологий.
Мы рады представить не просто программу для расчётов, а полноценное виртуальное конструкторское бюро, способное изменить правила игры в проектировании и строительстве.
Этот инструмент не только упрощает инженерные задачи, он даёт возможность создавать надёжные, эффективные и долговечные конструкции, освобождая инженеров от ограничений традиционных методов.
Сегодня строительная и проектная отрасли сталкиваются с вызовами: растущие требования к точности и надёжности требуют от решений большего, чем могут предложить устаревшие подходы. Методы, такие как механика сплошной среды (МСС) и метод конечных элементов (МКЭ), основываются на упрощённых моделях, которые игнорируют микроструктуру материалов и не учитывают процессы разрушения на микроуровне. Эти ограничения становятся критическими в сложных условиях эксплуатации: от сейсмической активности до экстремальных температур.
Механика Дискретных Связей (МДС) предлагает новый взгляд на природу материалов.
Этот подход моделирует их как систему частиц (зёрен) и связей между ними, раскрывая процессы, которые раньше оставались за гранью понимания. С внедрением искусственного интеллекта МДС превращается в инструмент следующего поколения, способный:
- Автоматизировать сложнейшие расчёты.
- Оптимизировать конструкции, используя данные реальных нагрузок.
- Предсказывать поведение материалов в экстремальных условиях.
В этом лонгриде мы расскажем, что лежит в основе МДС, как он работает и почему сочетание этой методики с искусственным интеллектом может превратить вашу идею в прорывной стартап. Эта информация будет полезна не только инженерам, архитекторам и строителям, но и тем, кто ищет перспективные инвестиционные возможности в области инновационных технологий.
Какие физические и расчетные модели используют традиционные научные дисциплины в науке о прочности и в чем их основной недостаток
Традиционные методы, такие как механика сплошной среды и метод конечных элементов, игнорируют взаимосвязи структурных частиц материалов и локальные процессы разрушения, что ограничивает их точность и надёжность в прогнозах поведения конструкций.
Проблематика
1. Ограничения механики сплошной среды
Механика сплошной среды опирается на представление материала как однородного объекта с усреднёнными характеристиками, такими как модуль упругости и предел прочности. Это упрощение удобно, но создаёт проблемы:
- Игнорирование микроструктуры. Настоящие материалы неоднородны: бетон состоит из смеси зерен и связующего вещества, металл имеет кристаллическую структуру. Эти особенности оказывают ключевое влияние на поведение материала, но не учитываются в модели.
- Невозможность анализа локальных процессов. Разрушение материалов начинается с локальных повреждений на уровне связей между частицами, которые не отражаются в усреднённых характеристиках.
МКЭ стал революцией в инженерии, позволяя рассматривать сложные формы конструкций и прогнозировать их поведение под нагрузкой. Однако:
- Невозможность учёта последовательного разрушения. Когда одна зона конструкции повреждается, нагрузка перераспределяется на другие области. МКЭ плохо справляется с моделированием таких процессов, особенно для хрупких материалов.
- Зависимость от качества сетки. Результаты сильно зависят от параметров расчётной сетки, что может приводить к значительным отклонениям в прогнозах.
Выбор физической модели для проведения исследований
Физическая модель – это главный этап проведения исследований, так как именно эта модель определяет все дальнейшее направление. Сейчас используется физическая модель, представленная гипотетической сплошной средой, наделенной свойствами конкретного конструкционного материала (КМ). При исследовании поведения твердых тел оперируют исключительно показателями свойств этой среды – упругость, текучесть, пластичность, прочность, усталость и т.п. Основная проблема заключается в отсутствии достоверного критерия этих свойств.
Рассмотрим это более подробно.
Рассмотрим это более подробно.
Переход от физической модели к расчётной: упрощение для точности
Научные исследования невозможны без построения моделей, которые отражают реальность и помогают изучать её законы. Физическая модель, будучи первым этапом, фиксирует основные свойства объекта без упрощений. Например, все конструкционные материалы (КМ) обладают общей особенностью — при воздействии нагрузок они деформируются. Это свойство позволяет объединить их в категорию «деформируемые твёрдые тела», основные характеристики которых — прочность и способность к деформации.
Однако физическая модель часто игнорирует внутреннее строение материалов, заменяя его понятием гипотетической сплошной среды. Эта упрощённая среда наделяется усреднёнными свойствами материала, будь то металл, бетон или керамика.
Например, поведение металлической балки, бетонной плиты или керамического блока теоретически рассматривается через свойства их гипотетических сплошных аналогов.
Тем не менее, сложность реальных связей между факторами и ограниченность точных расчётов на уровне физической модели требуют перехода к расчётной модели. Расчётная модель сохраняет физическую основу, но освобождается от второстепенных факторов. Она вводит гипотезы и допущения, которые упрощают систему и делают её пригодной для анализа с помощью современных вычислительных методов.
К примеру, рассмотрим металлическую балку. На уровне физической модели она представляется как сплошная среда, что делает её анализ сложным и трудоёмким. Расчётная модель заменяет сплошную среду слоистой структурой, выделяя только важные аспекты поведения материала. Такой подход позволяет точно определить поведение балки под нагрузкой, сохраняя при этом практическую применимость модели.
Переход от физической к расчётной модели — это шаг, необходимый для более глубокого понимания материалов и их реального поведения в конструкциях.
Научные исследования невозможны без построения моделей, которые отражают реальность и помогают изучать её законы. Физическая модель, будучи первым этапом, фиксирует основные свойства объекта без упрощений. Например, все конструкционные материалы (КМ) обладают общей особенностью — при воздействии нагрузок они деформируются. Это свойство позволяет объединить их в категорию «деформируемые твёрдые тела», основные характеристики которых — прочность и способность к деформации.
Однако физическая модель часто игнорирует внутреннее строение материалов, заменяя его понятием гипотетической сплошной среды. Эта упрощённая среда наделяется усреднёнными свойствами материала, будь то металл, бетон или керамика.
Например, поведение металлической балки, бетонной плиты или керамического блока теоретически рассматривается через свойства их гипотетических сплошных аналогов.
Тем не менее, сложность реальных связей между факторами и ограниченность точных расчётов на уровне физической модели требуют перехода к расчётной модели. Расчётная модель сохраняет физическую основу, но освобождается от второстепенных факторов. Она вводит гипотезы и допущения, которые упрощают систему и делают её пригодной для анализа с помощью современных вычислительных методов.
К примеру, рассмотрим металлическую балку. На уровне физической модели она представляется как сплошная среда, что делает её анализ сложным и трудоёмким. Расчётная модель заменяет сплошную среду слоистой структурой, выделяя только важные аспекты поведения материала. Такой подход позволяет точно определить поведение балки под нагрузкой, сохраняя при этом практическую применимость модели.
Переход от физической к расчётной модели — это шаг, необходимый для более глубокого понимания материалов и их реального поведения в конструкциях.
Расчетная модель базируется на основных положениях физической модели, но освобождает ее от всех несущественных признаков и вводит различные допущения, которые упрощают проведение исследований.
При исследовании поведения балок аналитическим методом, физическая модель, представленная сплошной средой, расчленяется на гипотетические слои (волокна), ориентированные вдоль балки. Считается, что поведение волокон отражает состояние балки. Противоположные продольные поверхности балки испытывают максимальные сжимающие напряжения, а в центральной части площади ее поперечного сечения какие-либо напряжения полностью отсутствуют. Также для оценки прочности очень сложно подобрать достоверный критерий этой характеристики. Теоретические прогнозы часто находятся в существенных разногласиях с практикой.
Использование для расчетов МКЭ также наталкивается на существенные трудности в подборе достоверного критерия прочности.
При исследовании поведения балок аналитическим методом, физическая модель, представленная сплошной средой, расчленяется на гипотетические слои (волокна), ориентированные вдоль балки. Считается, что поведение волокон отражает состояние балки. Противоположные продольные поверхности балки испытывают максимальные сжимающие напряжения, а в центральной части площади ее поперечного сечения какие-либо напряжения полностью отсутствуют. Также для оценки прочности очень сложно подобрать достоверный критерий этой характеристики. Теоретические прогнозы часто находятся в существенных разногласиях с практикой.
Использование для расчетов МКЭ также наталкивается на существенные трудности в подборе достоверного критерия прочности.
ОСНОВА МЕТОДА
Новый подход: Механика Дискретных Связей (МДС)
Базис и теоретическая основа МДС. Как она работает и какова ее эффективность.
| Механика дискретных связей (МДС) — это метод, который рассматривает материалы как системы, состоящие из двух основных компонентов:
|
Физические и расчетные модели в механике дискретного твердого тела
В основе МДС лежит представление материала как дискретной системы. Эта модель строится на следующих принципах:
Физическая модель КМ представляет собой отпечаток реальности и отражает один из главных его признаков – дискретность внутреннего строения. Визуальный анализ физической модели позволяет выдвинуть рабочие гипотезы о поведении дискретных твердых тел при внешних силовых воздействиях.
1.Прочность структурных частиц (зерен) всегда выше, чем прочность связей между ними.
2. При воздействии сжимающих усилий на КМ, структурные частицы смещаясь по направлению действия нагрузки неизбежно раздвигают смежные структурные зерна в перпендикулярном направлении.
3. При растягивающих воздействиях все взаимосвязанные различные поверхности структурных частиц будут противодействовать их перемещению в направлении действия растягивающего усилия.
.
Физическая модель КМ представляет собой отпечаток реальности и отражает один из главных его признаков – дискретность внутреннего строения. Визуальный анализ физической модели позволяет выдвинуть рабочие гипотезы о поведении дискретных твердых тел при внешних силовых воздействиях.
1.Прочность структурных частиц (зерен) всегда выше, чем прочность связей между ними.
2. При воздействии сжимающих усилий на КМ, структурные частицы смещаясь по направлению действия нагрузки неизбежно раздвигают смежные структурные зерна в перпендикулярном направлении.
3. При растягивающих воздействиях все взаимосвязанные различные поверхности структурных частиц будут противодействовать их перемещению в направлении действия растягивающего усилия.
.
Расчетная модель развивает рабочие гипотезы, выдвинутые физической моделью, упрощая проведение исследований, вводя различные допущения и предположения. 1. Структурные частицы (зерна) наделяются свойствами абсолютно твердого тела. Они не деформируются и не разрушаются. 2. Всем структурным частицам придается единая форма в виде шара.
При такой форме структурных элементов в расчетной модели, перемещение структурных частиц в направлении действия сжимающей нагрузки, неизбежно будет вызывать смещение смежных частиц в перпендикулярном направлении.
При такой форме структурных элементов в расчетной модели, перемещение структурных частиц в направлении действия сжимающей нагрузки, неизбежно будет вызывать смещение смежных частиц в перпендикулярном направлении.
Все связи в этой модели между структурными зернами будут работать только на разрыв
При сдвиге или кручении КМ, связи между частицами, будут деформироваться в перпендикулярном направлении относительно силовому воздействию.
- Растяжение КМ будет происходить в условиях силовой деформации исключительно продольных связей.
Построение расчетной модели и ее основные элементы
Частицы и связи между ними
Частицы
- Представляются как жёсткие сферические объекты.
- Их расположение в пространстве соответствует плотной упаковке структурных частиц в теле КМ.
Связи
Связующее вещество объединяет раздельные частицы твердого тела в единое понятие – дискретное твердое тело. Именно связующее вещество определяет все основные физические свойства дискретных твердых тел.
При воздействии сжимающих усилий связующее вещество деформируясь в продольном и поперечном направлении относительно приложенной нагрузки определяет поведение всего дискретного твердого тела.
Поэтому в расчетной модели связующее вещество представляют как определенную сплошную среду, которая наделяется физическими свойствами, показатели которых определяются с помощью экспериментов, проводимых на конкретных видах КМ.
При сжатии, связующее вещество последовательно преобразуется в гипотетическую связь с определенными геометрическими размерами, ориентированную перпендикулярно действию нагрузки.
При воздействии сжимающих усилий связующее вещество деформируясь в продольном и поперечном направлении относительно приложенной нагрузки определяет поведение всего дискретного твердого тела.
Поэтому в расчетной модели связующее вещество представляют как определенную сплошную среду, которая наделяется физическими свойствами, показатели которых определяются с помощью экспериментов, проводимых на конкретных видах КМ.
При сжатии, связующее вещество последовательно преобразуется в гипотетическую связь с определенными геометрическими размерами, ориентированную перпендикулярно действию нагрузки.
При различных видах напряженно-деформированного состояния КМ гипотетические связи между структурными частицами работают исключительно на разрыв.
В качестве критерия прочности для дискретных твердых тел целесообразно использовать показатели их предельных значений прочности и деформации, сформулированные еще в свое время Г. Галилеем и Э. Мариоттом. Такие критерии оказались правомерными и для сложнонапряженных видов состояний КМ - двуосное растяжение, двуосное сжатие, сжатие с растяжением и т.п.
Напряженно-деформированное состояние железобетонной балки
Введение стальных стержней в нижние слои бетонной балки, существенно меняет ее напряженно-деформированное состояние. Из условия неразрывности деформаций на контакте бетона с арматурой, деформация этих двух структурных составляющих будет одинаковой. И будет соответствовать продольной деформации металлического стержня. В таком случае продольная деформация связей по высоте балки будет меняться, последовательно снижаясь к нижним слоям приближаясь к деформации металлического стержня. Наибольшая величина продольных деформаций связей будет располагаться выше уровня заложения арматурного стержня. Поэтому именно в этих местах и следует ожидать образование и дальнейшее развитие трещин в бетоне.
Металлическая арматура существенно меняет характер напряженно-деформированного состояния железобетонной балки.
При повышении силовой нагрузке, не превышающей предельного значения, продольные и поперечные деформации между структурными частицами бетона будут последовательно возрастать по высоте поперечного сечения балки в направлении к продольной поверхности балки.
При достижении предельных значений продольных деформаций, в бетоне образуются трещины. В условиях образования и дальнейшего развития трещин, напряженно-деформированное состояние балки резко меняется. Существенно возрастают поперечные деформации между структурными частицами в верхней части поперечного сечения балки.
При повышении силовой нагрузке, не превышающей предельного значения, продольные и поперечные деформации между структурными частицами бетона будут последовательно возрастать по высоте поперечного сечения балки в направлении к продольной поверхности балки.
При достижении предельных значений продольных деформаций, в бетоне образуются трещины. В условиях образования и дальнейшего развития трещин, напряженно-деформированное состояние балки резко меняется. Существенно возрастают поперечные деформации между структурными частицами в верхней части поперечного сечения балки.
Сейчас существует технология создания предварительного напряжения в арматуре. Реактивное противодействие бетона предварительно растянутой арматуре вызывает локальное сжатие балки в продольном направлении. Причем, в нижней части по высоте балки сжатие проявляется выше, чем в ее верхней части. Поэтому там выше и поперечные деформации между структурными частицами, что соответственно сказывается и на поведение балки.
Различие деформации бетона по высоте балки порождает ее выгиб, который выполняет роль ее «строительного подъема». При выгибе в верхней части балки несколько деформируются и связи между структурными частицами в продольном направлении.
Различие деформации бетона по высоте балки порождает ее выгиб, который выполняет роль ее «строительного подъема». При выгибе в верхней части балки несколько деформируются и связи между структурными частицами в продольном направлении.
Под воздействием собственного веса и внешней нагрузки происходит прогиб балки в направлении действия внешнего усилия. При этом изменяется исходное напряженно-деформированное состояние балки, сформированное предварительным напряжением арматуры. С прогибом балки напряжение в арматуре возрастает.
Соответственно возрастает и реактивное противодействие бетона. Причем, с прогибом балки сжимающие напряжения в бетоне в верхней части по высоте балки возрастают выше, чем в ее нижней части, а снижение размера выгиба уменьшает величину растягивающих напряжений.
Соответственно возрастает и реактивное противодействие бетона. Причем, с прогибом балки сжимающие напряжения в бетоне в верхней части по высоте балки возрастают выше, чем в ее нижней части, а снижение размера выгиба уменьшает величину растягивающих напряжений.
При горизонтальном положении балки вся ее площадь поперечного сечения испытывает уже исключительно сжимающие усилия.
Увеличение внешнего силового воздействия неизбежно вызывает дальнейший прогиб балки. Напряжение в арматуре продолжает возрастать. Соответственно возрастает и ее продольная деформация. Бетон, расположенный в верхней части по высоте балки оказывает большее реактивное противодействие арматуре, чем в ее нижней части. В области прогиба балки от силового воздействия начинают деформироваться продольные связи между структурными частицами бетона.
При дальнейшем повышении силового воздействия в области непосредственного прогиба продольные деформации связей между структурными частицами бетона быстро возрастают. Превышение предельных значений неизбежно приводит к разрыву связей и появлению трещин.
Напряжение в арматуре возрастает, а реактивное противодействие арматуре оказывает участок бетона, размер которого ограничивается величиной трещин. Как показывает практика, при появлении трещин положительный эффект от создания предварительного напряжения в арматуре исчезает.
Напряжение в арматуре возрастает, а реактивное противодействие арматуре оказывает участок бетона, размер которого ограничивается величиной трещин. Как показывает практика, при появлении трещин положительный эффект от создания предварительного напряжения в арматуре исчезает.
Таким образом, создание предварительного напряжения в арматуре переносит проблему образования и развития трещин в железобетонной балке на более поздний этап силового воздействия, но практически не оказывает влияния на величину ее несущей способности.
Основные проблемы железобетонных изделий и конструкций
Железобетон представляет собой разнородный материал из бетона и металла, которые обладают различными физическими характеристиками. Механическая прочность и модуль упругости металла на порядок выше, чем у бетона. Несмотря на то, что содержание металла в железобетоне обычно не превышает 5-7%, его наличие существенно влияет на поведение бетона.
Главная цель арматурного каркаса – это направлять работу бетона в заданном направлении. В настоящее время для исследования поведения железобетонных изделий и конструкций используют расчетную модель гипотетической сплошной среды. При изгибе сплошной среды, которая приобрела форму балки, ее верхняя поверхность укорачивается, а нижняя растягивается. Вполне логично, что для снижения этих процессов, металлические стержни целесообразно было установить на противоположных продольных плоскостях балок. Металлические стержни также прогибаются, но несколько снижают деформацию бетона.
Главная цель арматурного каркаса – это направлять работу бетона в заданном направлении. В настоящее время для исследования поведения железобетонных изделий и конструкций используют расчетную модель гипотетической сплошной среды. При изгибе сплошной среды, которая приобрела форму балки, ее верхняя поверхность укорачивается, а нижняя растягивается. Вполне логично, что для снижения этих процессов, металлические стержни целесообразно было установить на противоположных продольных плоскостях балок. Металлические стержни также прогибаются, но несколько снижают деформацию бетона.
Использование расчетной модели сплошной среды для бетона противоречит действительности, так как его дискретная структура видна даже не вооруженным взглядом. Расчетная модель дискретного строения бетона наглядно поясняет поведение железобетонной балки при изгибе и выявляет роль металлической арматуры в этом процесса.
Способы решения проблем, возникающих в железобетоне
Прогиб балки под нагрузкой является ее главной проблемой. Основной задачей арматурного каркаса это уменьшение или полная ликвидация проблем, возникающих в железобетоне. В НПЦПМ разработано инженерное решение, при котором прогиб железобетонной балки полностью преобразуется в ее продольную деформацию. При этом, для балки исключается изгибающий момент, как главный воздействующий фактор.
Поставленная цель достигается тем, что металлические стержни, составляющие арматурный каркас имеет дуговую форму и соединены между собой металлическими скобами. Такой каркас, стремясь под силовой нагрузкой, приобрести горизонтальное положение, увлекают за собой тело бетона в продольном направлении.
Продольному перемещению металлического каркаса и телу бетона противодействуют стальные стержни, выполняющие роль стяжки. По всей высоте площади поперечного сечения балки бетон будет испытывать исключительно сжимающие усилия. При таком физическом процессе исключается образование и развитие вертикальных трещин в бетоне, а несущая способность железобетонной балки существенно возрастает.
Поставленная цель достигается тем, что металлические стержни, составляющие арматурный каркас имеет дуговую форму и соединены между собой металлическими скобами. Такой каркас, стремясь под силовой нагрузкой, приобрести горизонтальное положение, увлекают за собой тело бетона в продольном направлении.
Продольному перемещению металлического каркаса и телу бетона противодействуют стальные стержни, выполняющие роль стяжки. По всей высоте площади поперечного сечения балки бетон будет испытывать исключительно сжимающие усилия. При таком физическом процессе исключается образование и развитие вертикальных трещин в бетоне, а несущая способность железобетонной балки существенно возрастает.
Теоретические предпосылки для решения таких проблем
Для решения проблем, возникающих в железобетоне при его эксплуатации, используется расчетная модель дискретного твердого тела. Модель содержит структурные частицы и связующее вещество между ними. Связующее вещество играет определяющую роль, поэтому на нем концентрируется особое внимание. Поведение расчетной модели должно полностью отражать события, которые происходят в реальности. Поэтому и расчетная модель должна содержать определенные результаты, полученные из экспериментов.
Структурные частицы в бетоне имеют различные формы, размеры и свойства. Все эти факторы существенно влияют на прочность их взаимного сцепления, а соответственно и на прочность всего дискретного твердого тела. В расчетной модели все структурные частицы наделили свойством абсолютно твердого тела и привели к единой форме шара. Отразить индивидуальность каждого структурного элемента в реальности возможно только с использованием связующего вещества.
Структурные частицы на модели, покрытые тонким слоем связующего вещества, при их растяжении сформируют короткую связь между ними.
Чем больше слой связующего вещества покрывает частицу, тем больше эта частица приобретает пластические свойства, тем длиннее становится связь между структурными элементами. Короткие связи характеризуют хрупкий разрыв связей, а длинные – с элементами пластичности.
В НПЦПМ разрабатываются численные методы расчета, в которых наиболее полно рассматривается процесс формирования напряженно-деформированного состояния в дискретных твердых телах. Результаты таких расчетов уже нашли широкое применение на практике. .
Структурные частицы в бетоне имеют различные формы, размеры и свойства. Все эти факторы существенно влияют на прочность их взаимного сцепления, а соответственно и на прочность всего дискретного твердого тела. В расчетной модели все структурные частицы наделили свойством абсолютно твердого тела и привели к единой форме шара. Отразить индивидуальность каждого структурного элемента в реальности возможно только с использованием связующего вещества.
Структурные частицы на модели, покрытые тонким слоем связующего вещества, при их растяжении сформируют короткую связь между ними.
Чем больше слой связующего вещества покрывает частицу, тем больше эта частица приобретает пластические свойства, тем длиннее становится связь между структурными элементами. Короткие связи характеризуют хрупкий разрыв связей, а длинные – с элементами пластичности.
В НПЦПМ разрабатываются численные методы расчета, в которых наиболее полно рассматривается процесс формирования напряженно-деформированного состояния в дискретных твердых телах. Результаты таких расчетов уже нашли широкое применение на практике. .
Поведение КМ в условиях одновременного силового и температурного воздействия
Исследование поведения КМ в условиях силовых и температурных воздействий представляет собой сложную практическую задачу. Задача существенно усложняется при нестационарном воздействии теплового потока - при резких режимах нагрева и охлаждения. Такие ситуации возникают обычно в условиях чрезвычайных ситуаций.
При резких сменах температур на отдельных участках элементов конструкций формируется концентрация температурных напряжений, которая при сложении с силовыми эксплуатационными нагрузками может превосходить предельное значение, что неизбежно приведет к их разрушению. С повышением температуры физические свойства КМ могут изменяться в широких пределах.
Структурные частицы, составляющие КМ разнородны и имеют различные показатели коэффициента температурного расширения. При изменении температуры в теле КМ могут возникать внутренние структурные температурные напряжения. Этот факт также необходимо использовать при проведении расчетов. Такие сложные задачи целесообразно решать численными методами. Такие методы разрабатываются в нашем Научно-Производственном Центре Промышленного Материаловедения.
При резких сменах температур на отдельных участках элементов конструкций формируется концентрация температурных напряжений, которая при сложении с силовыми эксплуатационными нагрузками может превосходить предельное значение, что неизбежно приведет к их разрушению. С повышением температуры физические свойства КМ могут изменяться в широких пределах.
Структурные частицы, составляющие КМ разнородны и имеют различные показатели коэффициента температурного расширения. При изменении температуры в теле КМ могут возникать внутренние структурные температурные напряжения. Этот факт также необходимо использовать при проведении расчетов. Такие сложные задачи целесообразно решать численными методами. Такие методы разрабатываются в нашем Научно-Производственном Центре Промышленного Материаловедения.
Как такие проблемы решаются в настоящее время
Для решения таких задач используются аналитические, численные и экспериментальные методы оценки термической стойкости КМ.
Аналитическим методами определяется зона максимальных температурных напряжений, которая формируется в изделиях или конструкциях под воздействием тепловых потоков. В качестве физической модели используется гипотетическая сплошная среда, наделенная свойствами конкретных КМ.
В расчетной модели такая среда расчленяется на ряд гипотетических слоев, ориентированных перпендикулярно движению теплового потока. Согласно теоретическим представлениям, свободному температурному расширению наиболее нагретой части нагреваемого блока противодействует менее нагретая его часть. Такое реактивное противодействие вызывает сжатие на более разогретых участках, а соответственно в менее нагретой части возникают растягивающие усилия. Предполагается, что средняя часть керамического блока, прогретая до средней температуры, полностью свободна от каких-либо напряжений.
Результаты таких теоретических прогнозов противоречат действительности. При резких нагревах изделий выше определенного предела наблюдается сколы их поверхностных слоев. Причем сколы всегда проявляются на участках, где теоретические прогнозы показывают минимальную величину температурных напряжений. Исключение наблюдается лишь в редких случаях, когда нагреваемое изделие имеет форму пластины.
Аналитическим методами определяется зона максимальных температурных напряжений, которая формируется в изделиях или конструкциях под воздействием тепловых потоков. В качестве физической модели используется гипотетическая сплошная среда, наделенная свойствами конкретных КМ.
В расчетной модели такая среда расчленяется на ряд гипотетических слоев, ориентированных перпендикулярно движению теплового потока. Согласно теоретическим представлениям, свободному температурному расширению наиболее нагретой части нагреваемого блока противодействует менее нагретая его часть. Такое реактивное противодействие вызывает сжатие на более разогретых участках, а соответственно в менее нагретой части возникают растягивающие усилия. Предполагается, что средняя часть керамического блока, прогретая до средней температуры, полностью свободна от каких-либо напряжений.
Результаты таких теоретических прогнозов противоречат действительности. При резких нагревах изделий выше определенного предела наблюдается сколы их поверхностных слоев. Причем сколы всегда проявляются на участках, где теоретические прогнозы показывают минимальную величину температурных напряжений. Исключение наблюдается лишь в редких случаях, когда нагреваемое изделие имеет форму пластины.
Экспериментальные методы определения термической стойкости КМ
Само понятие термостойкость характеризует качество КМ, способное противостоять резким сменам температур. Соответственно требуется определиться с критерием этого качества. Критериальную оценку понятию «способность», сформулировать очень сложно. Еще сложнее будет использовать этот выбранный вариант критериальной оценки для решения практических задач.
.
.
В настоящее время термическую стойкость выражают как одно из свойств огнеупорного камня по его способности сохранять свою форму и размеры при резких сменах температур. Так, в соответствии с ГОСТ 7875-83 и ГОСТ Р 52542 за критерий термической стойкости (керамики, огнеупора) принимается количество теплосмен, необходимое для потери 20% массы испытываемого образца при его попеременном одностороннем нагреве в печи до и последующем охлаждении в проточной воде.
Результаты экспериментальных исследований показывают, что резкий нагрев торцевой части различных видов огнеупоров выше определенного предела, неизбежно приводит к сколам нагретой части. Причем, характер такого разрушения очень мало зависит от состава КМ. И в большей степени зависит от геометрической формы и размеров нагреваемого и охлаждаемого изделия.
Экспериментальная оценка термостойкости огнеупорных изделий находится в существенных разногласии с действительностью. Очень часто огнеупорные изделия, наиболее полно удовлетворяющие требования термостойкости, полученные в лабораторных условиях, на практике оказались менее устойчивы к температурным воздействиям.
Результаты экспериментальных исследований показывают, что резкий нагрев торцевой части различных видов огнеупоров выше определенного предела, неизбежно приводит к сколам нагретой части. Причем, характер такого разрушения очень мало зависит от состава КМ. И в большей степени зависит от геометрической формы и размеров нагреваемого и охлаждаемого изделия.
Экспериментальная оценка термостойкости огнеупорных изделий находится в существенных разногласии с действительностью. Очень часто огнеупорные изделия, наиболее полно удовлетворяющие требования термостойкости, полученные в лабораторных условиях, на практике оказались менее устойчивы к температурным воздействиям.
Технологические методы повышения термической стойкости КМ
Термическая стойкость понимается как одно из физических свойств КМ. Это свойство определяется как способность КМ противостоять резким изменениям температур. Понятие «способность», это характеристика неопределенная. Для того чтобы решить эту проблему, прежде всего требуется определиться с критерием этого свойства.
Существуют попытки решения этой проблемы технологическими способами. Логические рассуждения предполагают, что введение керамических волокон должно повысить термическую стойкость огнеупорных изделий. Эксперименты показали, что введение определенного количества керамических волокон повышают механическую прочность образцов при испытании на сжатие. Но при проведении испытаний на термостойкость по ГОСТ 7875 эти изделия обычно разрушались уже при 1-2 теплосмен.
Пропитка огнеупоров связующими компонентами также несколько повышают прочность и шлакоустойчивость огнеупорных изделий, но практически не влияют на их термическую стойкость.
Существуют попытки решения этой проблемы технологическими способами. Логические рассуждения предполагают, что введение керамических волокон должно повысить термическую стойкость огнеупорных изделий. Эксперименты показали, что введение определенного количества керамических волокон повышают механическую прочность образцов при испытании на сжатие. Но при проведении испытаний на термостойкость по ГОСТ 7875 эти изделия обычно разрушались уже при 1-2 теплосмен.
Пропитка огнеупоров связующими компонентами также несколько повышают прочность и шлакоустойчивость огнеупорных изделий, но практически не влияют на их термическую стойкость.
Поведение КМ при резких сменах температур
Физическая модель КМ представляют собой систему, которая состоит из двух основных составляющих – структурных частиц и связующее вещество. При изменениях температур, структурные частицы изменяют свои исходные геометрические размеры в соответствии с характерным для них коэффициентом температурного расширения.
Физическая модель констатирует, что при резких нагревах бетонных или керамических изделий выше определенного предала, происходят сколы их поверхностных слоев, а при величине критического охлаждения – на поверхности изделий образуются вертикальные трещины. При построении расчетных моделей необходимо учитывать все основные положения, предварительно сформулированные физической моделью.
Физическая модель констатирует, что при резких нагревах бетонных или керамических изделий выше определенного предала, происходят сколы их поверхностных слоев, а при величине критического охлаждения – на поверхности изделий образуются вертикальные трещины. При построении расчетных моделей необходимо учитывать все основные положения, предварительно сформулированные физической моделью.
Теория температурных напряжений
Расчетная модель КМ придает физической модели упрощенную форму. Структурные частицы приобретают форму шара, а связующее вещество преобразуется в прямые гипотетические связи. Размеры связей между структурными частицами различные по величине. Чем короче связи, тем больше величина напряжений, которые в них развиваются.
При нагреве поверхностных слоев, структурные частицы, составляющие этот слой увеличивают свои размеры в соответствии с их коэффициентом температурного расширения. При таком расширении структурные частицы поверхностного слоя раздвигают нижележащие менее нагретые структурные элементы в поперечном направлении к движению теплового потока.
Механизм передачи внутренних усилий взаимосвязанных структурных частиц формирует процесс формирования температурных напряжений в теле КМ. Теплофизические и физико-механические свойства КМ, форма и размеры исследуемого изделия, а также условия температурного воздействия, определяют зону концентрации в нем температурных напряжений. В зоне концентрации температурных напряжений следует ожидать разрушения изделий.
При нагреве поверхностных слоев, структурные частицы, составляющие этот слой увеличивают свои размеры в соответствии с их коэффициентом температурного расширения. При таком расширении структурные частицы поверхностного слоя раздвигают нижележащие менее нагретые структурные элементы в поперечном направлении к движению теплового потока.
Механизм передачи внутренних усилий взаимосвязанных структурных частиц формирует процесс формирования температурных напряжений в теле КМ. Теплофизические и физико-механические свойства КМ, форма и размеры исследуемого изделия, а также условия температурного воздействия, определяют зону концентрации в нем температурных напряжений. В зоне концентрации температурных напряжений следует ожидать разрушения изделий.
При резком охлаждении дискретных твердых тел, структурные частицы, составляющие поверхностный слой уменьшают свои геометрические размеры. Такому физическому процессу противодействуют более нагретые структурные зерна из нижележащих смежных слоев. Связи между поверхностными структурными частицами будут испытывать растягивающие усилия и при достижении предельных значений происходит их разрушение.
Таким образом, в КМ, которые представляют собой дискретно твердое тело, в качестве критерия их термической стойкости целесообразно использовать величины показателя предельной деформации или прочности связей между структурными частицами.
Теоретические прогнозы поведения строительных сооружений и конструкций при силовых и температурных воздействиях выполняются преимущественно численными методами с использованием метода дискретных связей.
Теоретические прогнозы поведения строительных сооружений и конструкций при силовых и температурных воздействиях выполняются преимущественно численными методами с использованием метода дискретных связей.
Поведение железобетонных элементов конструкций при резких сменах температур
В процессе эксплуатации железобетонные элементы конструкций находятся в условиях силовых воздействий от собственного веса сооружений и полезной нагрузки. Связи между структурными частицами, составляющие тело бетона, находятся в напряженном состоянии. Для обычных условий эксплуатации расчетное значение таких напряжений не превышает 30-40% от критического значения.
При резком нагреве температуры поверхностного слоя элемента конструкции в теле бетона формируются температурные напряжения. На определенном участке нагреваемой поверхности этого изделия сложение силовых и температурных напряжений может превысить критический показатель прочности бетона. Поэтому при проектировании железобетонных сооружений и конструкций необходимо предусматривать и возможность возникновения чрезвычайных ситуаций.
При резком нагреве температуры поверхностного слоя элемента конструкции в теле бетона формируются температурные напряжения. На определенном участке нагреваемой поверхности этого изделия сложение силовых и температурных напряжений может превысить критический показатель прочности бетона. Поэтому при проектировании железобетонных сооружений и конструкций необходимо предусматривать и возможность возникновения чрезвычайных ситуаций.
Железобетонный элемент под силовой нагрузкой
Железобетонный элемент под силовым и температурным воздействием
Железобетон относится к негорючим материалам, которые не подвержены горению. В условиях чрезвычайный ситуациях для таких материалов опасны не сами пожары, а условия их ликвидации. Резкое охлаждение горячей поверхности железобетонных конструкций выше определенного предела неизбежно приводит к разрушению бетона.
Оптимизацией минералогического состава и свойств бетона можно в определенной степени увеличить его термостойкость. В НПЦПМ разработали оптимальный состав для огнеупорного бетона, предназначенного для эксплуатации во вращающихся печах. Разработанные огнеупорные бетоны отличались повышенной термической стойкостью, что неизбежно сказалось на сроки безаварийной эксплуатации. Количество плавок в мартеновских печах по нашей технологии увеличилось с 80-100 итераций до 500.
Механика Дискретных Связей не просто предлагает альтернативу традиционным подходам, но и открывает перед инженерами новый инструмент, позволяющий анализировать и улучшать конструкции на уровне их физической структуры.
МДС — это шаг вперёд в понимании природы материалов и их поведения. Его применение уже даёт результаты, меняя подход к проектированию и эксплуатации сложных инженерных объектов.
Вместе с МДС будущее инженерии становится более надёжным, точным и устойчивым.
Механика Дискретных Связей не просто предлагает альтернативу традиционным подходам, но и открывает перед инженерами новый инструмент, позволяющий анализировать и улучшать конструкции на уровне их физической структуры.
МДС — это шаг вперёд в понимании природы материалов и их поведения. Его применение уже даёт результаты, меняя подход к проектированию и эксплуатации сложных инженерных объектов.
Вместе с МДС будущее инженерии становится более надёжным, точным и устойчивым.
«Этот метод даёт ответы на вопросы, которые раньше казались нерешаемыми:
Как разрушения начинаются внутри материалов и как их предотвратить?
Как повысить надёжность конструкции без увеличения затрат?
Как проектировать материалы и конструкции, готовые к экстремальным условиям?
МДС — это шаг вперёд в понимании природы материалов и их поведения. Его применение уже даёт результаты, меняя подход к проектированию и эксплуатации сложных инженерных объектов.»
Как разрушения начинаются внутри материалов и как их предотвратить?
Как повысить надёжность конструкции без увеличения затрат?
Как проектировать материалы и конструкции, готовые к экстремальным условиям?
МДС — это шаг вперёд в понимании природы материалов и их поведения. Его применение уже даёт результаты, меняя подход к проектированию и эксплуатации сложных инженерных объектов.»
Evgeny Yakushev
Discrete Mechanics Lab
2
The Natural Light Baseline
To differentiate that role from that of "key" modeling when a modeling source moves behind the object, it is typically called a "rim" or "accent" light. In portrait lighting, it is also called a "hair" light because it is used to create the appearance of physical separation between the subject's head and background.
When a photographer puts the sun behind an object, its role in the lighting strategy changes from modeling the front of the object to one of defining its outline and creating the impression of physical separation and 3D space a frontally illuminated scene lacks.
Steve Jobs
Apple CEO
1818 Magazine by Stephanie Toole
To differentiate that role from that of "key" modeling when a modeling source moves behind the object, it is typically called a "rim" or "accent" light. In portrait lighting, it also called a "hair" light because it is used to create the appearance of physical separation between the subject's head and background.
3
Creating Natural Looking Artificial Lighting
A typical studio lighting configuration will consist of a fill source to control shadow tone, a single frontal key light to create the highlight modeling clues on the front of the object facing the camera over the shadows the fill illuminates, one or more rim/accent lights to create separation between foreground and background, and one or more background lights to control the tone of the background and separation between it and the foreground.
There are two significant differences between natural lighting and artificial sources. One is the character of the fill and the other is a more rapid fall-off in intensity. In nature, skylight fill is omni-directional and usually brighter from above. That "wrap around" characteristic is difficult to duplicate with a directional artificial source.
© 2024 All Rights Reserved
land@scape.eu
land@scape.eu