Программы расчета конструкций RFEM 6 и RSTAB 9 предлагают мощные возможности для моделирования теплового деформирования конструктивных элементов с применением температурных нагрузок. Эти программы позволяют точно учитывать влияние изменения температуры, которое может значительно повлиять на поведение материалов и конструкций. Моделируя как однородные, так и неоднородные изменения температуры, RFEM 6 и RSTAB 9 позволяют провести комплексный анализ того, как тепловое расширение или сжатие может влиять на работу конструкций.
В этой статье мы рассмотрим теоретические основы термических эффектов, с акцентом на мембранные и изгибные эффекты, и продемонстрируем, как эти термические эффекты могут быть смоделированы и применены в RFEM 6. С помощью практических примеров вы увидите, как эти температурные деформации можно эффективно отразить в программном обеспечении, предоставляя ценные данные для проектирования и анализа конструкций, подвергающихся вариациям температуры.
1. Мембранный эффект (однородное изменение температуры)
Однородное изменение температуры по высоте компонентов вызывает так называемый мембранный эффект. Это происходит, когда весь компонент подвергается одному и тому же изменению температуры по всей длине, без градиента в перпендикулярном направлении. При однородном изменении температуры конструктивный элемент испытывает тепловое расширение или сжатие без деформации изгиба.
Мембранный эффект характеризуется однородными деформациями вдоль оси элемента, что приводит к чисто осевой деформации (Изображение 1). При повышении температуры материал расширяется вдоль оси, а при понижении — сжимается. Важно отметить, что этот эффект не вызывает внутренних моментов или напряжений изгиба, но создаёт осевые силы внутри элемента, если линейное расширение элемента ограничено, например, в статически неопределимой системе.
2. Изгибный эффект (неоднородное изменение температуры)
В отличие от мембранного эффекта, неоднородное распределение температуры по высоте или толщине компонента приводит к изгибной деформации (Изображение 2). Это происходит, когда температура варьируется по сечению конструктивного элемента, создавая температурный градиент.
Когда компонент подвергается температурному градиенту, материал расширяется по-разному в разных точках по высоте или толщине. Это дифференциальное расширение вызывает внутренние моменты и изгибные напряжения, которые возникают только в статически неопределимой системе, где расширение ограничено. Компонент будет стремиться изгибаться в ответ на разные температуры в разных сечениях элемента, с верхней частью сечения, расширяющейся более чем нижняя, или наоборот. Таким образом, изгибный эффект можно понять как изгиб конструкционного элемента из-за температурного градиента.
3. Комбинированный эффект: Мембранный и изгибный
На практике конструкционные элементы часто подвергаются как однородным изменениям температуры (мембранный эффект), так и температурным градиентам (изгибный эффект). Общее тепловое деформирование в компоненте может быть описано как комбинация этих двух эффектов:
- Мембранный эффект вызывает осевую деформацию (натяжение или сжатие) из-за однородного изменения температуры вдоль оси элемента.
- Изгибный эффект приводит к изгибной деформации из-за температурного градиента через высоту или толщину компонента.
Эта комбинация эффектов приводит к неоднородной деформации (Изображение 3), поскольку как осевые силы, так и изгибные моменты создаются внутри компонента, что происходит, когда система статически неопределима и расширение ограничено.
Моделирование тепловых деформаций в RFEM 6
В RFEM 6 вы можете моделировать как мембранные, так и изгибные эффекты, применяя два типа температурных нагрузок: «Температура» и «Изменение температуры». Эти нагрузки можно легко задать с использованием окна «Новая нагрузка на элемент», где вы можете выбрать подходящий тип нагрузки из выпадающего меню «Тип нагрузки» (Изображения 4 и 5).
1. Тип нагрузки «Температура»
Нагрузка «Температура» в RFEM 6 позволяет указать верхнюю температуру (Tt) и нижнюю температуру (Tb) элемента. Распределение температуры может быть:
- Однородным: когда Tt=Tb, что значит, что элемент подвергается однородному изменению температуры, приводящему к мембранным эффектам (без изгиба).
- Неоднородным: когда Tt≠Tb, это создаёт температурный градиент через компонент, приводящий как к мембранным, так и к изгибным эффектам.
2. Тип нагрузки «Изменение температуры»
Нагрузка «Изменение температуры» позволяет задать температуру средней линии (Tc) и напрямую указать температурную разницу ΔT между верхом и низом элемента. Положительная температура средней линии означает, что элемент нагревается, и положительная температурная разница подразумевает, что верх элемента нагревается более чем низ, вызывая изгиб.
Практические примеры
Чтобы лучше понять эффекты температурных нагрузок, давайте рассмотрим несколько сценариев, в которых одна и та же консольная балка подвергается различным условиям температуры. В каждом случае мы рассмотрим, как различные изменения температуры могут быть смоделированы в RFEM 6 с использованием типов нагрузок "Температура" и "Изменение температуры". Оба типа нагрузки могут представить одни и те же температурные эффекты; единственное отличие — это способ задания ввода. Мы подчеркнём, как эти вариации влияют на поведение балки, особенно в терминах изгиба и деформации.
1. Сценарий: Система обогрева пола в здании
В этом сценарии консольная балка поддерживает часть системы пола в здании, и подвергается равномерному увеличению температуры на 10°C из-за активации системы подогрева пола. Система отопления поднимает температуру всей балки равномерно по её длине, делая балку нагретой одинаково.
Как применить это в RFEM 6: Этот сценарий может быть смоделирован в RFEM 6 с использованием типа нагрузки "Изменение температуры", где температура средней линии (Tc) установлена на 10°C, представляя равномерное нагревание балки (Изображение 6). Температурная разница (ΔT) между верхними и нижними поверхностями балки будет равна нулю, так как увеличение температуры однородно вдоль длины балки.
Альтернативно, ту же симуляцию можно выполнить, используя тип нагрузки "Температура", где как верхняя, так и нижняя температуры (Tt и Tb) установлены на 10°C (Изображение 7). В обоих случаях результатом будет равномерное расширение балки без возникновения изгиба, так как вся балка претерпевает одинаковую тепловую экспансию (Изображение 8).
2. Сценарий: Балка, подвергшаяся воздействию источника тепла
Консольная балка расположена в промышленной среде, где она подвергается теплу с одной стороны. Например, во время производственного процесса, балка может подвергаться более высоким температурам (например, 30°C) с одной стороны, в то время как противоположная остаётся на более низкой температуре (например, 20°C) или защищена от тепла.
Как применить это в RFEM 6: Это можно смоделировать, используя тип нагрузки "Температура" с Tt ≠ Tb (Изображение 9), где верхняя температура (Tt) выше (30°C) из-за источника тепла, а нижняя температура (Tb) остаётся ниже (20°C). Температурная разница между верхом и низом балки создаёт тепловой градиент, который вызывает расширение и изгиб балки (Изображение 10).
3. Сценарий: Балка, подвергнутая неравномерному солнечному излучению
Консольная балка находится во внешней среде, где одна поверхность подвержена солнечному свету, в то время как противоположная поверхность находится в тени. В результате одна поверхность балки нагревается до 5°C, в то время как другая остаётся на -5°C. В этом случае температура средней линии составляет 0°C, но имеется температурный градиент через балку, с одной поверхностью, испытывающей более высокую температуру, чем другая. Основное внимание в этом сценарии уделено отражению изгиба, вызванного тепловым градиентом, созданным температурной разницей (ΔT) между верхними и нижними поверхностями балки, приводящей к изгибу из-за дифференциального расширения.
Как применить это в RFEM 6: Этот сценарий может быть смоделирован в RFEM 6, используя тип нагрузки "Изменение температуры" (Изображение 11), где указывается температурная разница (ΔT) между верхом и низом балки (ΔT=10°C). Температура средней линии (Tc) установлена на 0°C, но температурная разница (ΔT) не равна нулю, представляя тепловой градиент, который вызывает изгиб балки. Обратите внимание, что используется тип нагрузки "Изменение температуры", и нет необходимости определять конкретные температуры для верхней (Tt) и нижней (Tb) поверхностей, так как основное внимание уделено изгибу, вызываемому тепловым градиентом, созданным ΔT.
Заключение
В заключение, RFEM 6 предлагает гибкий подход для моделирования термических эффектов на конструктивных элементах, позволяя моделировать как мембранные, так и изгибные эффекты с помощью типов нагрузок «Температура» и «Изменение температуры». Эти типы нагрузок позволяют провести точные моделирования изменения температуры вдоль длины и высоты элемента, обеспечивая всесторонний анализ тепловых деформаций.
Понимая, как эффективно применять эти типы нагрузок, инженеры могут предсказать поведение конструктивных элементов под термическими нагрузками, что приводит к более точным анализам и оптимизированным проектам. Независимо от того, имеете ли дело с равномерным нагревом, локальным воздействием температуры или различными условиями, RFEM 6 предоставляет необходимые инструменты для управления температурными эффектами в ваших конструкциях.
