Шарниры стержня

Шарнир стержня ограничивает внутренние усилия, которые могут передаваться от одного стержня к другим. Шарниры могут быть расположены только на концах стержня, а не в местах вдоль стержня.

Некоторые типы стержней уже оснащены шарнирами: например, ферменный стержень не передает моменты, а канатный стержень — ни моменты, ни поперечные силы. Таким типам стержней нельзя назначать шарниры. Ввод данных заблокирован.

Диалоговое окно «Новый шарнир стержня»

Основные параметры

Вкладка Основные параметры управляет элементарными параметрами шарнира.

Система координат

Шарнир стержня может быть определён относительно одной из следующих систем координат:

• Локальная система координат стержня x,y,z
• Глобальная система координат X,Y,Z (опционально как ножничный шарнир)
• Пользовательская система координат U,V,W

В большинстве случаев шарниры определяются относительно локальной системы координат стержня. Однако ножничные шарниры (см. рисунок пересечение стержней) возможны только в глобальной или пользовательской системе координат.

Условия шарнира

Условия шарнира разделены на 'Трансляционные' и 'Ротационные' степени свободы. Первые описывают перемещения в направлениях локальных или глобальных осей, вторые — повороты вокруг этих осей.

Чтобы определить шарнир, активируйте флажок для соответствующей оси. Галочка символизирует, что перемещение или поворот стержня в или вокруг соответствующего направления возможен. Константа линейной или угловой пружины будет установлена на ноль. Вы можете в любое время настроить 'константу пружины', чтобы смоделировать эластичный шарнир. Введите жесткости пружин в качестве проектных значений.

В столбце 'Нелинейность' вы можете специально управлять передачей внутренних усилий для каждой компоненты. В зависимости от степени свободы в списке типов нелинейности представлены подходящие записи для выбора.

Выбор шарнирной нелинейности

Жестко, если нагрузка отрицательная или положительная

Таким образом, вы можете легко контролировать, передаются ли на конец стержня только положительные или отрицательные силы или моменты. Например, u_x-шарнир с нелинейностью 'Жестко, если N положительное' приводит к тому, что на конце стержня передаются силы натяжения (положительные), но не сжимающие силы (отрицательные). При отрицательных нормальных силах шарнир действует.

В случае локальной системы координат внутренние усилия относятся к локальной системе координат xyz стержня.

Если вы выберете другую нелинейность, вы можете определить параметры на вкладках Частичное воздействие, Диаграмма, Трение или Диаграмма соединений.

Опции

Опция 'Ножничный шарнир' доступна в глобальной или пользовательской системе координат. Это позволяет моделировать пересечение стержней, проходящих насквозь.

Пример

Четыре стержня сходятся в узле. Стержни передают моменты в "направлении прохода", но не на другую пару стержней. В узле передаются только нормальные и поперечные силы.

Пересечение стержней с помощью ножничного шарнира

Назначьте шарнир либо стержням 3 и 4, либо стержням 1 и 2. Перекрестная пара стержней не получает шарнир.

Частичное воздействие

Частичное воздействие компоненты шарнира доступно как нелинейное свойство стержневого шарнира (см. рисунок выберите нелинейность шарнира).

Определение частичной активности шарнира

Определите воздействие шарнира на 'Негативную область' и 'Позитивную область'. В списке 'Тип' можно выбрать различные критерии действия шарнира.

• Полностью: Перемещение или поворот полностью возможны через шарнир.
• Жёстко после освобождения перемещения/поворота: Шарнир действует только до определённого перемещения или поворота. При превышении создается жёсткое соединение или закрепление.
• Разрыв после освобождения силы/момента: Шарнир действует только до определённой силы или момента. При превышении соединение выходит из строя и перестаёт передавать внутреннее усилие.
• Текущая после освобождения силы/момента: Шарнир действует только до определённой силы или момента. При превышении увеличиваются деформации, однако внутреннее усилие больше не растет.
• Отказ пружины: В шарнире с жёсткостью пружины компонента шарнира не действует.

Большинство типов шарниров могут быть комбинированы с 'зазором', что делает шарнир активным только после определённого перемещения или поворота.

Диаграмма

Диаграмма компоненты шарнира доступна как нелинейное свойство шарнира (см. рисунок выберите нелинейность шарнира).

Определение диаграммы жесткости

В столбце 'Перемещение' или 'Вращение' задайте количество точек определения рабочей диаграммы с соответствующими значениями. В столбце 'Сила' или 'Момент' вы можете затем назначить абсциссные значения перемещений или поворотов с силами или моментами шарнира.

Для 'Начала диаграммы' и 'Конца диаграммы' доступны следующие критерии:

• Разрыв: Шарнир действует только до максимального значения силы или момента. При превышении шарнир полностью активируется. Передача внутренних усилий прекращается.
• Текучесть: Шарнир действует только до максимального значения силы или момента. При превышении увеличиваются деформации, но больше не увеличиваются внутренние усилия.
• Непрерывность: За пределами области определения используется жёсткость пружины последнего шага.
• Заглушка: Допустимая деформация ограничивается максимальным значением перемещения или поворота. При превышении воздействие шарнира снимается, и становится активным жёсткое соединение или закрепление.

Трение

В списке 'Нелинейность' доступны четыре возможности для определения трения трансляционного шарнира в зависимости от другой компоненты шарнира (см. рисунок выберите нелинейность шарнира).

Определение коэффициентов трения

Передаваемые силы шарнира связаны с нормальными или поперечными силами, действующими в других направлениях. В зависимости от выбора на вкладке 'Основные параметры' трение зависит только от одного или от двух внутренних усилий. Существует следующая связь между трением в шарнире и нормальной или поперечной силой:

Пластичность

Пластические свойства шарнира важны для анализов повышенной нагрузки. Для опции Пластичность нелинейного компонента шарнира доступны четыре возможности (см. рисунок выберите нелинейность шарнира):

• Билинейная
• Диаграмма
• FEMA 356 | Жестко
• FEMA 356 | Эластично

Задать пластический шарнир с билинейными свойствами

Определите в столбцах '"Сечение" / "Сечение"_теч' и 'δ / δ_теч' или 'φ / φ_теч' ключевые значения пластических областей. Например, если M_y / M_y,теч равно 1.27, сечение начинает течь при превышении пластического момента. Если превышено 127 % пластической несущей способности, стержень выходит из строя.

Пластические пограничные внутренние усилия автоматически определяются из характеристик сечения стержня.

Длина стержня влияет на расчет жёсткости пластического шарнира. Обычно она определяется автоматически из длин стержней, к которым назначен шарнир. При необходимости вы можете указать 'Пользовательскую длину стержня' для шарнира.

Критерии приемлемости

В нижней части можно задать предельные значения критериев текучести, которые должны удовлетворять требованиям безопасности конструкций. Например, для стальных конструкций они регулируются в таблице 5-5 стандарта FEMA 356 [1]. Например, если φ / φ_теч равно 6.000, критическое значение для "безопасности жизни" достигнуто, когда пластические деформации становятся в шесть раз больше, чем те, что возникают при достижении границы текучести.

Диапазоны критериев приемлемости также отображаются на диаграмме.

В одной из двух пластических опций FEMA критерии приемлемости предварительно заданы в соответствии с требованием американского стандарта. При необходимости вы можете их изменить, отметив флажок 'Пользовательский'.

Определите пластиковый шарнир по FEMA 356

Выберите в списке 'Тип компонента'. Критерии приемлемости для первичных и вторичных компонентов регулируются в [1] таблице 5-5.

В статье Пластические шарниры в RFEM 6 описано, как использовать пластический шарнир для анализа повышения нагрузки.

Диаграмма соединений

Диаграмма соединений компоненты шарнира доступна как нелинейное свойство шарнира (см. рисунок выберите нелинейность шарнира). Это позволяет отобразить механическое поведение соединения труб с внутренней вставкой между двух стержней. Замещающая модель передает - в зависимости от состояния давления на конце стержня - изгибающий момент через загруженную внешнюю трубу и, при достижении соединения, также через внутреннюю вставку.

Вы можете описать свойства шарниров отдельно на вкладках 'Диаграмма соединений | Внутренняя труба' и 'Диаграмма соединений | Внешняя труба'.

Задать диаграмму лесов для внешней трубы

Для определения параметров доступны возможности, представленные в разделе Диаграмма.