Современные информационные технологии/

2. Вычислительная техника и программирование

К.т.н. Мутовина Н.В., ст.преп. Краснова Н.Н., преп. Рудометкина М.Н.,

студ. Караева О.

Карагандинский государственный технический университет

Автоматизированный анализ проектирования гвоздевой пластины на микроуровне

Гвоздевая пластина, как элемент перфорированного крепежа, получила в настоящее время самое широкое распространение в каркасном домостроении и при выполнении крепежа стропильно-подстропильной системы. Используются зубчатые пластины для соединения, лежащих в одной плоскости, деревянных конструктивных элементов (досок, балок, брусьев) без применения гвоздей, шурупов и других крепежных элементов.

В месте примыкания элементов деревянных конструкций гвоздевая пластина образует соединение, с которым по прочностным показателям не может сравниться ни один крепежный элемент. Механические показатели такого соединения значительно выше, чем прочность соединения, выполненного с помощью соответствующего количества гвоздей. Надежное сцепление с волокнами древесины обеспечивается особой формой и углом наклона зубцов пластины.

Гвоздевая пластина имеет толщину 1 миллиметр, ширина гвоздевой пластины составляет, в зависимости от типоразмера, от 20 до 132 миллиметров, а длина – от 76 до 1250 миллиметров. Количество рядов зубчиков одна гвоздевая пластина может иметь от 2 до 16. Высота зубчиков составляет 8 мм. Металлические зубчатые пластины изготавливаются из листовой оцинкованной стали. В этом случае обеспечивается повышенная коррозионная устойчивость соединительного элемента, что позволяет использовать его в условиях повышенной влажности и для выполнения внешних работ. Целью данного исследования является выполнение автоматизированного анализа напряженно-деформированного состояния при нагрузке 100МПа, с определением наиболее нагруженных участков и оценкой величины коэффициентов концентрации напряжений K_σ=σ_max/σ_ном.

Рисунок 1 - Геометрическое представление пластины

В данной работе для выполнения автоматизированного анализа напряженно-деформированного состояния пластины была выбрана программа – ANSYS. Важным моментом является то, что с помощью ANSYS можно проектировать различные конструкции пластины в зависимости от свойств материала. Для создания экспериментального образца с последующим испытанием его в реальных условиях заняло бы от нескольких дней до нескольких недель, а с использованием ANSYS все операции с построением новой модели и ее нагружением, проводятся за несколько часов. В данной работе используется математическое моделирование с использованием автоматизированного анализа проектирования на микроуровне. Для удобства построения построена четверть пластины. Построенная модель разбивается на конечные элементы с помощью команды Mesh во вкладке Meshing. Для разбиения геометрической модели пластины сеткой конечных элементов из базы ANSYS был выбран наиболее подходящий для решения нашей задачи элемент SOLID 82, который используется для трехмерного моделирования твердых структур. На рисунке 2 приведена конечно-элементная модель.

Рисунок 2 – Разбиение пластины на конечное число элементов

В качестве нагрузки к пластине было приложено давление 100 Мпа. Давление было приложено на правую сторону пластины. Пластина была закреплена с нижней стороны при помощи команды Main Menu >Solution >Apply>Displacement >-Symmetry B.C.- >On Lines.

Рисунок 3 –Закрепление пластины

На рисунке 4 представлены поля распределения напряжений по оси Х. Максимальное напряжение, сосредоточено в местах изменения геометрии модели.

Рисунок 4 – Поля распределения напряжений по оси Х

Из графика, представленном на рисунке 4, видно, что максимальное напряжение возникает по оси Х. Максимальное смещение по оси Х -013368 мм. Максимальное напряжение -410.267 МПа/мм, минимальное напряжение -14.055 МПа/мм.

На рисунке 5 показаны поля распределения деформаций. Максимальные деформации возникают в месте у нижнего края пластины по оси Х. По мере приближения к центру пластины, деформация уменьшается.

Рисунок 5 – Поля распределения деформаций по оси Х

Кроме этого, гвоздевая пластина становится надежным и прочным связующим элементом для деревянных конструктивных элементов, благодаря своей платформе. Монолитная платформа позволяет полностью исключить возможность смещения и разбалтывания зубьев и становится надежной основой соединительного узла. Благодаря этим особенностям своей конструкции, зубчатые пластины позволяют обеспечить отличную прочность даже при сращивании деревянных конструктивных элементов путем соединения встык. Проводимые испытания прочности такого соединения, которую обеспечивает гвоздевая пластина, показывают, что при воздействии на излом разрушение в месте соединительного узла происходит в монолитной части древесины, а не в месте сопряжения конструктивных элементов. Кроме этого, зубчатые пластины позволяют значительно сократить время проведения строительно-монтажных работ.