Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Павленко Мария Николаевна
ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЕШЕТЧАТЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ИНЖЕНЕРНОЙ ДРЕВЕСИНЫ
Специальность 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Великий Новгород - 2012
Работа выполнена на кафедре Технологий проектирования зданий и сооружений строительного факультета ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Шмидт Александр Борисович Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Шелофаст Владимир Васильевич кандидат технических наук, доцент Котлов Виталий Геннадьевич Ведущая организация ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Защита состоится 30 мая 2012г. в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д212.168.04 в Новгородском государственном университете им.
Ярослава Мудрого по адресу: 173003, г. Великий Новгород, ул. Большая Санкт-Петербургская, д. 41.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новгородского государственного университета.
Автореферат разослан 24 апреля 2012г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук, доцент М.С. Токмачев
Общая характеристика работы
Диссертация посвящена разработке новой информационной модели процесса проектирования и созданию программного расчетно-графического комплекса для проектирования и исследования напряженно-деформированного состояния и несущей способности строительных конструкций на примере деревянных ферм с металлическими зубчатыми пластинами (МЗП).
Актуальность темы. В современном мире информационных технологий (IT) важное место занимают IT-строительного проектирования (ранее САПР), которые практически полностью вошли в повседневную жизнь инженерапроектировщика. Отечественные продукты программного обеспечения (ПО) - немногочисленны и по ряду причин малоизвестны в мировой практике. В условиях острой нехватки в России инженерных кадров такое ПО является актуальной проблемой при подготовке и (или) переподготовке инженеровпроектировщиков, так как для конструкций из древесины специализированные продукты практически отсутствуют.
В настоящей работе предлагаются программные средства не только для получения быстрых и надежных результатов в области проектирования и исследования строительных конструкций, но и для современных методов эффективного обучения инженеров.
В мировой практике жилищного домостроения весьма популярен один из современных видов соединений деревянных ферм - металлические зубчатые пластины. В России повышенный спрос на МЗП связан c актуальностью жилищного строительства. Выбор в пользу этих соединений обусловлен высокими экономическими и технологическими показателями.
Особенность расчета узла на МЗП при проектировании ферм состоит в сложных сочетаниях анизотропии прочностных и деформационных характеристик как самой МЗП, так и древесины с учетом вида их напряженного состояния (скалывания, смятия, растяжения, изгиба и др.). С учетом большого числа узлов на МЗП в решетчатой конструкции выполнение такого расчета вручную, без автоматизированной системы, весьма трудоемко. Как правило, это приводит к большим запасам по прочности и иногда экономически неоправданной унификации узлов.
Задачи минимального расхода металла пластин с рациональным подбором их рабочих площадей, снижения трудоемкости вычислительных работ при проектировании требуют совершенствования вычислительных процессов и создания новых алгоритмов.
Целями диссертационной работы являются:
- разработка интерактивной информационной модели процесса проектирования строительных конструкций, реализующей логику эвристического и детерминированного алгоритмов.
- создание обучающего программного комплекса для проектирования и исследования деревянных конструкций на примере ферм на МЗП с эффективным алгоритмом расчета и конструирования узлов на основе модели процесса проектирования.
Задачи исследования:
1 Провести анализ существующих программных решений по проектированию деревянных ферм, расчету узлов на МЗП.
2 Разработать численные методы работы с объектами вычислительной геометрии, на основе которых создать математический и программный алгоритм определения рабочих площадей МЗП.
3 Разработать и реализовать информационную модель процесса исследования и проектирования строительных конструкций решетчатой конфигурации.
4 Создать следующие информационные модели:
- решетчатых конструкций из инженерной древесины (цельной, клееной древесины, LVL);
- металлических зубчатых пластин разных типов (с учетом их геометрических, прочностных и деформационных параметров);
- узловых соединений элементов решетки конструкций с произвольным расположением в них МЗП в соответствии с нормативными ограничениями.
5 Создать средства рациональной постановки МЗП в узле путем размещения двух и более пластин с возможностью поворота, изменения параметров МЗП и их расположения относительно центра узла.
6 Разработать компоненты интерактивной помощи при работе с программой.
7 Составить базу знаний по проектированию ферм на МЗП и механизм взаимодействия с пользователем.
8 Разработать нормативно-справочную базу для получения необходимой информации во время проектирования.
Научная новизна работы состоит в новом комплексном решении задач проектирования и исследования строительных конструкции на примере ферм на МЗП, а именно:
- в создании комплекса программных модулей, образующих информационное моделирование интерактивного процесса проектирования;
- в реализации численных и аналитических методов для создания математического и программного алгоритма определения рабочих площадей МЗП, прочностного и деформационного расчетов конструкции, входящих в информационную модель процесса проектирования;
- в разработке новых компонентов интерактивной помощи по проектированию, контролю ошибок ввода информации и контекстной справки по их корректировке;
- во введении в модель процесса проектирования элементов экспертных систем, позволяющих в интерактивном режиме корректировать процесс проектирования по рекомендациям базы экспертных знаний;
- в создании сводных данных (Истории проекта) о ходе процесса проектирования, дающих представление о работе пользователя за время всех сеансов использования программного комплекса.
Практическая значимость работы. Разработанная в диссертации интерактивная информационная модель процесса проектирования позволяет:
- существенно снизить трудозатраты и временные ресурсы на выполнение проектных расчетов;
- выполнять открытый конструктивный расчет узловых соединений на МЗП, в полном соответствии нормативным документам;
- выявлять ошибки проектирования и выдавать рекомендации возможных проектных решений, повышать их качество и эффективность;
- значительно ускорить усвоение пользователем информации по расчету ферм посредством новых обучающих компонентов;
- осуществить переход на вариантное проектирование с исследованием нескольких модификаций конструкций и выбором наиболее рационального проекта;
- получить готовые рабочие чертежи (готовность на 60%) и сформированную пояснительную записку с необходимыми пояснениями и ссылками на нормативные документы;
- существенно сократить время на оформление протоколов расчета, необходимых для представления в экспертизу.
Значимой практической ценностью созданного программного продукта является его ориентация на средства обучения проектированию в инженерных дисциплинах строительных вузов и факультетов страны.
Весьма полезно использовать этот продукт в условиях переобучения и переквалификации инженеров-проектировщиков, в институтах и факультетах повышения квалификации, в создании курсов дистанционного обучения.
Принципы построения и реализации линтерактивной информационной модели проектирования могут быть положены с основу разработки обучающих программных комплексов для других дисциплин, таких как Железобетонные и каменные конструкции, Металлические конструкции, Основания и фундаменты, Технология строительного производства и др.
Метод исследования включает:
- теоретическое построение математической и информационной модели процесса проектирования;
- численные методы работы с механическими и геометрическими объектами, функции и процедуры объектно-ориентированного программирования;
- методы теоретической и строительной механики.
Достоверность результатов обеспечивается:
- использованием апробированных методов математического моделирования;
- удовлетворительным согласием полученных результатов расчета проектируемых объектов с данными из нормативных источников и исследований других авторов;
Положения, выносимые на защиту:
- разработанная интерактивная информационная модель процесса проектирования решетчатых конструкций;
- разработанные численные методы для создания алгоритма определения рабочих площадей МЗП, а также для формирования модели проектируемой конструкции;
- реализованный проблемно-ориентированный программный комплекс для выполнения расчета деревянных ферм;
- разработанные компоненты помощи по проектированию, а также компоненты экспертной системы, позволяющие выявлять ошибки проектирования и выдавать возможные решения.
Внедрение результатов исследований 1 На УИИК-Ферма получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012612406 из Федеральной службы по интеллектуальной собственности (копия прилагается к диссертации).
2 Комплекс УИИК ДК установлен в СПбГАСУ в классе Информационных технологий проектирования для проведения академических занятий.
3 Программе УИК присвоен Гриф УМО АСВ Новосибирского регионального отделения для обучения студентов по направлению Строительство (копия прилагается к диссертации).
4 Отзывы и рекомендации зав. каф КДиП и Сопротивления материалов СПбГАСУ по внедрению программы УИИК в учебный процесс.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались:
- на 4-ой и 6-ой Всероссийской Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Наука и молодежь - 2007, Наука и молодежь - 2009 (г. Барнаул, 2007 и 2009 г.);
- на работе III съезда-конгресса Ассоциации деревянного домостроения (г. Санкт-Петербург, 2009);
- на 63-ей Международной Научно-технической конференции молодых ученых (аспирантов, докторантов) и студентов Актуальные проблемы современного строительства (г. Санкт-Петербург, 2010 г.);
- на 67-ой и 68-ой Научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета (г. СанктПетербург, 2010 и 2011 г.);
- на II Международной научно-практической конференции Достижения молодых учёных в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании (г. Брянск, 2011 г.);
- на V Международной науч.-практ. конф. Энергоресурсосберегающие технологии: Наука. Образование. Бизнес. Производство (г. Астрахань, 2011г.);
- на II Международной научно-практической конференции Строительная индустрия: Вчера. Сегодня. Завтра (г. Пенза, 2011);
- на XL Неделе науки СПбГПУ (г. Санкт-Петербург, 2011г.);
- на XIX научной конференции преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ в рамках Дней науки 2012г. (г. Великий Новгород, 2012г.);
- на I Международном конгрессе молодых ученых (аспирантов, докторантов) и студентов, посвященный 180-летию СПбГАСУ.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в печатных работах, в том числе 2 в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка литературы (43 наименования, включая работы автора), 4 приложений, 72 рисунков и 18 таблиц. Общий объем диссертации - 114 страниц.
Содержание работы Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, ставится цель и формулируются задачи, решение которых выносится на защиту. Отмечена новизна работы и практическая значимость.
В первой главе приводится современное состояние проектирования деревянных ферм на МЗП, исследования существующих программных комплексов и требований, предъявляемых к их созданию.
МЗП - металлическая зубчатая пластина с выштампованными и отогнутыми в одну сторону зубьями, применяющаяся для соединения элементов деревянных конструкций (рис. 1). Металлические зубчатые пластины запрессовываются в узлах соединения деревянных элементов с двух сторон парно напротив друг друга. Таким способом обеспечивается прочное соединение отдельных деревянных элементов в единую конструкцию.
В нашей стране начало исследований МЗП было положено в 70-х годах прошлого столетия в Йошкар-Оле, где проводились исследования работы соединений на МЗП и накопление опыта их применения и проектирования на базе Марийского государственного технического университета. Основные труды изложены в работах А.К. Наумова и В.Г. Котлова. Результаты исследований использовались при разработке методов расчета и нормативной документации решетчатых конструкций на МЗП. Изучением несущей способности МЗП также занимались А.М. Дурновский, В.А. Цепаев, Д.К.
Арленинов. Изучение нагельных соединений по деформациям велось Г.Г.
Никитиным, П.А. Дмитриевым, Р.Б. Орловичем. Вклад в изучение МЗП внесли Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет (ННГАСУ), ЦНИИСК им. Кучеренко. На сегодняшний день исследования МЗП привели к появлению разнообразных типов этих пластин: по форме и расположению зубьев, толщине, размерам и формам пластины.
В 80-ые годы ХХ века ведущей научно-исследовательской организацией ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко были опубликованы Рекомендации по проектированию конструкций с соединениями на МЗП, а также разработаны пластины МЗП 1.2 и МЗП 2 толщиной 1.2 мм и 2.0 мм соответственно. В дальнейшем эти рекомендации использовались в разработке нормативных документов: СП 64.13330.2011, Пособие к СНиП II-25-80.
В соответствии с этими документами несущая способность соединений зависит от их типа, размера, расположения и толщины пластины. Суть расчета заключается в подборе рабочей площади МЗП и сравнении усилий по несущей способности. Рабочей площадью считается площадь МЗП, приходящаяся на элементы, за исключением краевых полос шириной 10 мм (рис. 2).
Субконтр Y стойкир Рабочая площадь 10 Элемент раскоса (стойка)р Элемент (раскос) Рабочая площадь стойки p Субконтр нижнего поясаp Субконтр раскоса X Рабочая площадь МЗПр Элемент нижнего пояса р (пояс) pр Рис. 1 Узел на МЗП Рис. 2 Рабочая площадь МЗП Расчетная несущая способность R принимается на 1 см2, так как прочность соединения зависит от неравномерности восприятия усилия зубьями по мере удаления от стыка, деформации поверхности пластины, возникновением дополнительного изгибающего момента из-за несимметричного расположения зубьев. Работа МЗП характеризуется следующими параметрами (рис. 3):
X - главной осью МЗП;
N - действующим усилием;
- углом между осью МЗП и усилием N, определяющим расчетную несущую способность пластины Rр при растяжении;
- углом между направлением волокон древесины и усилием N, определяющим расчетную несущую способность пластины R;
- углом между осью МЗП и линией стыка, определяющим расчетную несущую способность пластины Rср при срезе.
Учет углов , , объясняется разной работой пластины в разных направлениях. Несущая способность МЗП напрямую зависит от угла между главной осью пластины, осью действующего усилия и направлением волокон древесины Принимая во внимание требуемую площадь пластины, подбираются параметры МЗП таким образом, чтобы рабочая площадь МЗП на элементе была больше требуемой. При этом необходимо, чтобы минимальная площадь МЗП на элементе составляла не менее 50 см2 для конструкций пролетом до 12 м и менее и 75 см2 для конструкций пролетом до 18 м, а сама пластина не должна выходить за краевые кромки фермы, поэтому необходимо разместить МЗП в узле наиболее рациональным образом и задействовать в работу максимальную площадь МЗП.
h Рабочая площадь Элемент фермы пластины р МЗП р Y N X Линия стыкар Рис. 3 Геометрические параметры МЗП УВручнуюФ такой расчет достаточно трудоемок, если учесть большое число узлов на МЗП в решетчатой конструкции и необходимость нескольких итераций цикла подбора площади МЗП. Решение проблемы вызывает потребность создавать проблемно-ориентированные программные продукты по расчету ферм на МЗП.
Так как при проектировании таких конструкций необходим практический опыт, подходящим решением является объединение разработки программы и экспертной системы (ЭС), что сделает пригодным применение этого продукта как в промышленном проектировании, так и в сфере образования.
Основой любой ЭС является база знаний, накопленная специалистамиэкспертами. В проектировании этот опыт заложен в нормативные документы:
СНиПы, ГОСТы, пособия, учебники, методические материалы и др. Экспертная система, как составная часть программного средства, получает информацию об объекте, анализирует ее на основе базы знаний и предлагает технически грамотное решение. Система такого типа может заменить преподавателяконсультанта при разрешении проблемной ситуации в процессе проектирования строительных конструкций.
В России большинство действующих систем образования используют традиционные методы обучения. При этом идет повсеместное сокращение аудиторных часов в связи с увеличением доли самостоятельной работы студента (СРС). СРС предполагает приобретение знаний студентами без непосредственного участия преподавателя.
Решением проблемы интенсификации обучения служит дополнение программных разработок электронными учебниками и методическими пособиями с последовательной структурой, электронными и мультимедийными библиотеками, обучающими программными системами, способствующими ускорению обучения в сжатые сроки и несущие полную информацию о проблемной области.
Исследованием автоматизированных обучающих систем занимались с конца 60-х годов XX века. Вклад в развитие таких систем внес П.Я. Гальперин, Н.Ф. Талызина, В.П. Беспалько, Смирнова В.Б. и др. Позже обучающие системы внедрялись в образовательные учреждения. С середины 90-х годов прошлого столетия в Алтайском государственном техническом университете авторы Шмидт А.Б. и Соколова В.В. разработали и внедрили в учебный процесс Учебно-информационный исследовательский комплекс (УИИК), который состоял из ряда программных модулей по проектированию и расчету различных деревянных конструкций. Инициатива создания этого комплекса вызвана поисками интенсивных и эффективных форм преподавания дисциплин, связанных с проектированием строительных конструкций, а также отсутствием на рынке систем, обучающих процессу проектирования.
Далее рассматриваются функции обучающих систем: наглядность, интерактивность и контролирование. Расчет конструкций на МЗП является технической задачей, опирающейся на результаты опыта, наблюдений, изучения поведения и свойств конструкции, и использующей математический аппарат для анализа результатов. Для усвоения материала значительную роль играет моделирование процесса проектирования и математическое представление познаваемого объекта.
Использование принципа интерактивности заключается в мгновенном реагировании на действия пользователя при изменении параметров системы, в получении контекстной справки, учебных пособий и нормативной литературы в данный момент времени. Интерактивность в информационных обучающих системах повышает динамику и содержательность учебных заданий, процесса их выполнения, самоконтроля, самооценки и оценки успешности обучения.
Необходимость контролирования процесса расчета вытекает из назначения индивидуальной работы пользователя - сопровождения постоянным отслеживанием хода освоения предметной области с выдачей разъяснений при затруднениях.
Приводится обзор существующих известных разработчиков программ по расчету МЗП. В зарубежной практике автоматизированного расчета МЗП распространена компания Mitek, производящая пластины с одноименным названием. Mitek разработано программное обеспечение по проектированию этих соединений, которое ориентировано на расчет собственных пластин МЗП.
Mitek обеспечивает доступ к результатам расчета: усилиям, деформациям, изгибающим моментам. При этом методика расчета и проектирования соединений на МЗП закрыта для проектировщика и не может использоваться для другой номенклатуры. Не подходит это ПО и для разработки новых соединений на МЗП. Отсутствуют элементы экспертной системы. Основными выходными данными являются рабочие чертежи для изготовления ферм, расчет расхода материалов и определение стоимости заказа. При этом протокол расчета необходимо формировать традиционным ручным способом.
Среди отечественных разработок по расчету деревянных ферм на МЗП известен продукт Научно-технического центра АПМ APM Wood (проф.
Шелофаст В.В.), который, по утверждениям разработчиков, соответствует СП 64. 13330.2011. Программа выполняет проектировочный и проверочный расчеты методом конечных элементов. В первом случае параметры и расположение МЗП подбираются автоматически программой, а во втором - проверяются в соответствии с заданными. После выполнения проверочного расчета APM Wood выдает сообщение о возможности использования заданных параметров МЗП. Но методика расчета МЗП также не раскрывается и проектировщику трудно найти рациональное проектное решение, что снижает положительный эффект применения программы.
Использовать этот продукт специалисту на обучении становится затруднительно, поскольку функционал продукта ограничивается определенным набором инструментов для создания модели фермы без какихлибо элементов обучения и компонентов экспертной системы.
Кроме того необходимо рассматривать узлы не только с одной пластиной (рис. 4, а), так как это может привести к перерасходу площади МЗП в связи с особенностями компоновки узла. Из опыта известно, что в узле можно установить несколько МЗП, которые при необходимости могут быть повернуты (рис. 4, б). Расход пластин в этом случае снижается примерно в два раза, а в пересчете на всю конструкцию экономия составляет около 30%.
Нереализованные задачи интерактивного определения рабочих площадей, эффективного позиционирования пластин, а также снижения трудоемкости работ при проведении вычислений и контролирование действий пользователя побуждают совершенствовать вычислительные процессы и создавать новые алгоритмы.
a) б) Рис. 4 Варианты размещения пластины в узле: узел с одной пластиной (а);
узел с двумя пластинами (б) В диссертации рассматривается вопрос проектирования ферм из так называемой линженерной древесины. Под инженерной древесиной понимается конструкционный материал на основе древесины с заданными анизотропными свойствами. Например, к инженерной древесине относится клееная древесина (прямослойная и гнутоклееная), армированная древесина, шпон, фанера плоская и профильная, бакелизированная фанера, LVL различных типов, LVL-профиль и прочее. В расчете тот или иной материал конструкции характеризуется его механическими характеристиками и эмпирическими данными взаимодействия с МЗП. Как правило, эти параметры получены сторонними исследователями и могут быть внесены в программный комплекс.
Основной вывод первой главы: сформулированы нерешенные задачи, которые актуализируют цели диссертационной работы.
Во второй главе разрабатывается модель процесса проектирования деревянных ферм, математический алгоритм определения рабочих площадей пластин, методы размещения МЗП в узле. Для проектирования деревянных ферм на МЗП предлагается автоматизированная система проектирования УИИК-Ферма, основанная на новом подходе к компьютерному проектированию с активными элементами обучения:
- разложение процесса проектирования на шаги;
- контроль ошибок ввода информации и подсказка по их изменению;
- внедрение новых компонентов интерактивной помощи;
- динамическая визуализация графических элементов;
- расширенный интерактивный режим взаимодействия;
- развернутый протокол расчета в форме пояснительной записки;
- выполнение графической документации (рабочих чертежей на 60%);
- поддержка нормативно-справочной информации по проектированию;
- возврат по выбору пользователя на любую ветку дерева проекта;
- просмотр Истории расчета с анализом сеансов расчета;
- наличие элементов экспертной системы.
В алгоритме определения рабочих площадей ставится задача определения наиболее подходящих параметров пластины, которые задаются следующим образом (рис. 5):
X = { pl =< d,l,, dx, dy > 0 d,l 100,0 2,-50 dx, dy 50,, где Apl 50 Apl 75} d - ширина пластины, см; l - длина пластины, см; - угол поворота пластины, рад; dx - смещение центра пластины по оси OX, см; dy - смещение центра пластины по оси OY, см.
Apl = Area(Poly( pl) Poly10 (e)) e Рабочая площадь МЗП:.
f ( pl) = d l Целевая функция - минимизация площади МЗП:.
Y Y' X Рис. 5 Схема типового узла на МЗП h ' X a d x y d d l Для нахождения рабочей площади используется специально разработанная автором библиотека численных методов. На основе этих методов действует детерминированный алгоритм определения рабочих площадей (рис. 6):
X = {pl =< d,l,, dx, dy >} 1 Исходный полигон АВСD:.
2 Полигон раскоса Х1 уменьшается на полосу шириной 10 мм, параллельную грани стержня (рис. 7) X10 = X1 Poly10 (e).
3 От полигона Х отсекаются полуплоскости, проходящие через границы полигона Х10: X = X Pab Pcd Pde Pea e, где Pab, Рcd, Pde, Pea - полуплоскости со сторонами ab, cd, de, ea соответственно (рис. 8).
4 Триангулируя полигон Хе, вычисляется его площадь по формуле Apl = Area(X ' ) Герона (рис. 9):.
e e Y Y XY' D C A X X B X Рис. 6 Полигоны рабочих площадей МЗП Рис. 7 Полигон раскоса XДля выполнения задачи определения связанности узла разработана проверка связанности конструкции, реализованная с помощью алгоритма Флойда-Уоршелла на графе. Для точного и быстрого отображения модели фермы используется интерактивный способ взаимодействия с программой по технологии WYSIWYG (What You See Is What You Get).
Y X e b Xb a a c c X e d e d X Рис. 8 Пересечение полигонов Х и Х10 Рис. 9 Искомый полигон Хе Обеспечить сокращение общего времени проектирования и сведение к минимуму помощь специалиста-консультанта позволяет разработка базы знаний по проектированию конструкций на МЗП. В качестве механизма h ' X a вывода сообщений в системе УИИК-Ферма создана бегущая строка, способная в любой момент проектирования выявлять ошибки и давать рекомендации в соответствии с составленной базой знаний.
В виду того, что процесс расчета конструкций на МЗП - прикладная задача, в которой неотъемлемой частью является понимание сути процесса и его наглядное представление, в системе разработана подробная визуализация графических элементов фермы, узлов, изменяющаяся в интерактивном режиме при назначении новых параметров.
В дополнение к подробному отображению графических элементов генерируется прокол расчета, который может служить основой для составления пояснительной записки, и рабочие чертежи готовностью на 60%.
В третьей главе приводится разработанная структура модулей системы, программные методы и алгоритмы определения рабочих площадей пластины, средства рационального размещения МЗП в узле.
Графический интерфейс всех систем разработан на языке программирования Object Pascal в среде Delphi. Создание программного продукта в Delphi выполнено в интегрированной среде разработки IDE (Integrated Development Environment). Графическая часть реализована в среде AutoCAD компании Autodesk. Для автоматизации вывода чертежей создаются программы на языке Visual Lisp, которые сохраняются в отдельных файлах в виде проектов и загружаются в среде AutoCAD.
Для реализации всех функциональных возможностей программы создана система классов, которые выполняют специализированные функции.
Для обеспечения возможности отмены совершенного действия, а также для хранения всех изменений в проекте составляется история проекта. В первом случае - это таблица редактирования, активная в текущем сеансе работы, логгирующая действия пользователя. Во втором случае - это таблица протоколирования истории изменения параметров, сопровождающаяся на протяжении всей жизни проекта.
Оптимальным решением этой задачи служит использование паттерна проектирования Команда (УCommandФ). Кроме паттерна Command в разработке системы используется паттерн Model-View-Controller (MVC, Модель-представление-поведение). Паттерн MVC Ч схема использования нескольких шаблонов проектирования, с помощью которых модель данных приложения, пользовательский интерфейс и взаимодействие с пользователем разделены на три отдельных компонента так, что модификация одного из компонентов оказывает минимальное воздействие на остальные.
При логгировании истории редактирования выполняется проверка обновления, что позволяет избежать записи в историю изменения параметра на свой аналог. Каждый параметр имеет индивидуальный числовой идентификатор, по которому выбирается название для отображения в окне истории редактирования.
Моделирование расчетной схемы фермы:
1 Исходя из данных о расчетной длине фермы, ее высоте и количестве панелей аналитически определяются координаты узлов верхнего и нижнего поясов фермы (рис. 10). Нижний левый узел всегда имеет координаты (0, 0).
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 16 13 15 a a a L Рис. 10 Номера узлов фермы 2 Создается массив стержней из предположения, что для верхнего и нижнего пояса выделяется по одному стержню (рис. 11). Если конструкция - двускатная, то для верхнего пояса выделяется два стержня.
2 3 4 5 6 L Рис. 11 Номера стержней фермы Для каждого стержня запоминаются номера узлов, которые относятся к этому стержню. Такое представление номеров стержней позволяет синхронизировать работу между типами стержней и номерами узлов, а также обращаться ко всем номерам узлов в пределах одного стержня, что не требует разработки дополнительных функций. Запоминается тип подрезки стержня, необходимый при построении полигонов стержней и правильном отсечении или удлинении граней:
- горизонтальный - применяется для подрезки стержней решетки;
- вертикальный - применяется для конькового узла;
- вертикальный продолженный - для крайних узлов.
Моделирование полигонов стержней и МЗП:
1 На основании размеров сечения и известных координатах крайних точек стержня определяются линии, обозначающие границы стержня (рис. 12).
Пусть А и В - узлы рассматриваемого стержня.
a = OA и b = OB - радиус-векторы точек А и В соответственно;
n = normAB - вектор нормали к АВ;
w - ширина стержня, мм;
i и j - единичные орты системы координат;
n w w = n Определение прямых L1, L2, C1, C2, ограничивающих полигон стержня:
L1 = line(a + w,b + w); L2 = line(a - w,b - w).
H H Для стоек:
C1 = line(a,a + i) ; C2 = line(b,b + i).
Для раскосов:
C1 = line(a,a + j) ; C2 = line(b,b + j).
Для нижнего и верхнего пояса:
w w w w C1 = line(a - i ,a - i + j); C2 = line(b + i ,b + i + j).
2 2 2 Формирование полигона стержня:
Ge = Poly(L1 C1; L1 C2; L2 C1; L2 C2) Полигон верхнего пояса Полигоны стоек 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 16 13 15 Полигон нижнего пояса Полигоны раскосов Рис. 12 Полигоны стержней 2 Отсечение получившегося полигона с учетом приоритетов стержней, входящих в узел (рис. 13):
priority(e) - приоритет ребра (0 - нижний пояс; 1 - верхний пояс; 2 - стойка; 3 - раскос);
Pe = Ge / Gf.
priority( f )< priority(e) При создании фермы генерируется массив полигонов пластин с параметрами, заданными по умолчанию: Pl = {dx = 0; dy = 0; a = 0; w = 250; h = 200}. В соответствии с п. 5.25 Пособия к СНиП II-25-80, при добавлении новой пластины в узел аналогичная пластина позиционируется с обратной стороны узла, что содействует унификации типоразмеров МЗП в одной конструкции.
После получения полигонов стержней определяется рабочие площади МЗП в соответствии с разработанным математическим алгоритмом.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 16 13 15 Рис. 13 Полигоны стержней фермы Программный расчет конструкции Расчет внутренних усилий статически определимой фермы выполняется традиционно, в соответствии с СП 64.13330.2011, в предположении шарнирности узлов фермы по недеформированной схеме. Расчет продольных усилий проводится на узловые нагрузки. Разработанный программный алгоритм статического расчета фермы может быть применим для определения продольных усилий статически определимой фермы любой конфигурации.
Конструктивный расчет элементов фермы выполняется также традиционно по двум группам предельных состояний. При этом прогиб конструкции выполняется с учетом податливости узловых соединений.
Верхний пояс рассчитывается как неразрезная многопролетная балка при действии распределенной нагрузки. Расчетная длина элементов фермы при расчете их на устойчивость в плоскости фермы принимается равной расстоянию между центрами узлов. Результатом выполнения расчета являются массивы М, N и Q коэффициентов распределения усилий (рис. 14):
M[n] = [an,bn,cn] M[n-1] = [an-1,bn-1,cn-1] M[1] = [a1,b1,c1] M[0] = [a0,b0,c0] Рис. 14 Схема распределения эпюр изгибающего момента Разработка новых компонентов помощи С целью обучения разработаны новые компоненты, направляющие и контролирующие действия пользователя: окно динамических подсказок (ОДП), бегущая строка и компонент ввода числовых значений.
ОДП - это окно, в котором даются пояснения по каждому компоненту.
Появление подсказок осуществляется наведением мышки на интересующий параметр, после чего в ОДП появляется информация соответствующая этому параметру. Редактирование текста подсказок разрешено администратору программы после введения пароля.
Бегущая строка динамических сообщений выдает мягкие и жесткие запреты. Если пользователь совершил действие, не рекомендованное для рационального расчета, выдается мягкий запрет - текст зеленого цвета. В случае возникновения критической ситуации пользователь видит красную строку жесткого запрета, дальнейшее проектирование возможно только после исправления ошибки.
Система таких запретов способствует пассивному запоминанию ценной информации путем многократного ее повторения. В этом состоит предпосылка к обучению пользователя рекомендуемому конструированию и расчету.
Для корректного задания исходных данных создан базовый компонент корректного ввода, разрешающий вводить исключительно числовые значения:
целые или дробные. Для определения диапазона допустимого вводимого значения, в компоненте корректного ввода устанавливаются максимальное и минимальное значения.
В системе реализована помощь по проектированию фермы и помощь по работе с программой. Для помощи в проектировании создана нормативная справка, содержащая методические материалы, атлас деревянных конструкций, СНиПы, карты к СНиПам.
Четвертая глава посвящена сравнению результатов статического расчета деревянных ферм на МЗП, выполненных вручную, в системе SCAD и в УИИК-Ферма. Ставится задача проектирования треугольной фермы со следующими параметрами (табл. 1).
По фермам уложены прогоны, поддерживающие щитовой настил. Прогоны опираются в узлах и в центре панелей верхнего пояса фермы. Конструктивный расчет элементов фермы и расчет узлов выполнен в соответствии с СП 64.13330.2011 Деревянные конструкции. В автореферате расчет не приводятся.
Таблица 1 Параметры объекта строительства Параметр Значение Пролет 12 м Шаг ферм 1 м Условия эксплуатации АВлажность древесины 20% Материал Сосна 2-го сорта Место строительства г. Барнаул Тип МЗП МЗП Сечения поясов 150х55 мм Сечение раскосов 100х55 мм Расчетная нагрузка от покрытия и собственного веса 3.2 кН/м.п.
В таблице 2 приведены усилия, полученные при расчете вручную, в системе УИИК-Ферма и в SCAD, а также вычислена относительная погрешность - , % и среднеквадратическое отклонение = 0.015, что свидетельствует о незначительном отклонении усилий в УИИК-Ферма от усилий, полученных в SCAD.
Далее в диссертационной работе приводятся параметры узлов, которые необходимо задать в программе, а также найденные с помощью УИИКФерма рабочие площади МЗП. Расчеты узлов, выполненные вручную и в программе УИИК-Ферма, полностью идентичны и соответствуют нормативным документам, что позволяет применять разрабатываемую систему в проектировании.
Таблица 2 Значения усилий в ферме, полученные в системе УИИК-Ферма Элементы 0-1 1-2 2-3 1-10 10-2 2-9 9-3 0-10 10-9 9-Усилие (полученные -54.9 -45.7 -35.0 -9.2 4.1 -10.2 8.4 52.0 40.5 28.вручную), кН Усилие, кН (полученные -54.6 -45.5 -34.9 -9.1 4.1 -10.2 8.4 51.8 40.3 28.в УИИК-Ферма) Элементы (полученные в P1 P2 P3 U1 U2 U3 U4 O1 O2 OSCAD) Усилие, кН -54.9 -45.7 -35.0 -9.2 4.1 -10.2 8.4 52.0 40.5 28., % 0.55 0.44 0.29 1.1 0 0 0 0.38 0.49 0. 0.0Система УИИК-Ферма была протестирована студентами пятого курса СПбГАСУ под руководством автора диссертации. После тестирования программного продукта студентам было предложено анкетирование, в котором выставлялись оценки по десятибалльной шкале. Были выявлены и исправлены некоторые недоработки в программе; установлены места, в которых студентам было трудно определить назначение какого-либо параметра.
Тестирование показало, что система востребована среди студентов и преподавателей для проектирования деревянных ферм на МЗП. Кроме того, подобные разработки могут быть полезны и для дисциплин Металлические конструкции, Железобетонные конструкции и др, так как позволяют сократить время выполнения курсового проекта в 5-10 раз и дают возможность выполнять вариантное проектирование нескольких конструктивных решений.
Основные результаты:
1 Проведен анализ и выявлены требования к формированию модели процесса проектирования деревянных ферм.
2 Сформирована информационная модель процесса проектирования.
3 Разработан механизм генерации полигонов стержней фермы для моделирования расчетной схемы конструкции.
4 Разработаны численные методы для определения рабочих площадей МЗП и позиционирования нескольких пластин.
5 Внедрены компоненты контекстной помощи: окно динамических подсказок, бегущая строка динамических сообщений, компонент корректного ввода параметров, составлена нормативно-справочная база.
Публикации автора по теме диссертации. Работы, опубликованные автором в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ:
1 Павленко М.Н., Шмидт А. Б. Автоматизированная система проектирования и исследования деревянных конструкций на металлических зубчатых пластинах // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2012. - №1(77). - с.
124 - 128.
2 Шмидт А.Б., Павленко М. Н. Комплекс программ автоматизированного проектирования на примере конструкций из древесины // Вестник гражданских инженеров. - 2012. - №2 (31). - с. 91 - 95.
Другие работы, опубликованные автором по теме диссертации:
3 Проектирование деревянных стропильных систем / А. В. Копылов, М.Н.
Павленко, Д. О. Ефременко, А.Б. Шмидт, В.В. Соколова // Наука и молодежь - 2007: материалы 4-ой Всероссийской Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Барнаул: изд-во АлтГТУ, 2007. - с. 72 - 73.
4 Подсистема проектирования деревянных балок в составе учебноинформационного исследовательского комплекса (УИИК) по проектированию зданий из клееной древесины и водостойкой фанеры / М.
Н. Павленко, А.Б. Шмидт, В.В. Соколова // Доклады 6-ой Всероссийской Науч.-техн. конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Барнаул: изд-во АлтГТУ, 2009. - с. 81 - 84.
5 Подсистема проектирования деревянных балок в составе учебноинформационного исследовательского комплекса (УИИК) по проектированию зданий из клееной древесины и водостойкой фанеры / М.
Н. Павленко, А.Б. Шмидт, В.В. Соколова // Доклады 67-ой науч. конф.
проф., преподавателей, науч. работников, инженеров и аспирантов университета / Санкт-Петербургский госуд. архит.-строит. ун-т. - В. 5 ч. Ч.
1. - 2010. - С. 211 - 214.
6 Автоматизация проектирования деревянных ферм на металлических зубчатых пластинах / М.Н. Павленко // Материалы III Международной науч.-практ. конференции Достижения молодых ученых в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании / под ред. И.
А. Лагерева. - Брянск: БГТУ, 2011. - Ч. 1. - С. 218 - 219.
7 Павленко М.Н. Автоматизированная система проектирования деревянных ферм на МЗП / М. Н. Павленко // Сборник статей II Международной науч.практ. конференции Строительная индустрия: вчера, сегодня, завтра:
сборник статей /МНИЦ ПГСХА. - Пенза: РИО ПГСХА, 2011. - С. 130 - 134.
8 Автоматизированная система проектирования деревянных ферм на МЗП / М. Н. Павленко // Материалы V Международной научно-практической конференции Энергосберегающие технологии: Наука. Образование.
Бизнес. Производство / Астрахань: АИСИ, 2011. - С. 12 - 15.
9 Автоматизированная система проектирования деревянных ферм на МЗП / М. Н. Павленко, А.Б. Шмидт // XL Неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно-практической конференции. Ч. 1. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011. - 235 - 236.
10 Павленко М.Н. Особенности применения программных средств для обучения студентов // Вестник Балтийской педагогической академии. - 2012. - №103. - с. 38 - 39.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям