Оптимизация составов бетонов с применением численного моделирования

• Автор: Ерофеев, Павел Сергеевич
• Шифр специальности: 05.23.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Саранск
• Количество страниц: 167 с. : ил.

ГЛАВА 1. БЕТОНЫ С ЗЕРНИСТЫМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ, КАК ОБЪЕКТ МОДИФИКАЦИИ

1.1. Современные представления о структурообразовании композиционных материалов

1.2. Основные виды бетонов в современном строительстве

1.3. Способы регулирования свойств бетонов с зернистыми

включениями

1.4. Моделирование композиционных материалов

1.5. Выводы по главе

ГЛАВА 2. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

2.1. Цели и задачи исследований

2.2. Методы исследований

2.3. Применяемые материалы
2.4. Выводы по главе
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПТИМИЗАЦИИ БЕТОНОВ С
ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
3.1. Исходные предпосылки и область применения разработанной
методики
3.2. Методика численного моделирования. Ее структура и функциональное
назначение
3.3. Алгоритмы методики, обоснования их использования
3.4. База программного обеспечения методики оптимизации
3.5. Выводы по главе 3
ГЛАВА 4. ТЕСТИРОВАНИЕ МЕТОДИКИ ОПТИМИЗАЦИИ С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОПЫТНЫХ ДАННЫХ
4.1. Анализ механического разрушения квази геометрически подобных
структур композиционных материалов
4.2. Результаты тестирования методики оптимизации по свойству рекуррентности процесса разрушения композиционных материалов
4.3. Тестирование методики результатами изученных опытных данных
цементных композиций с минеральными наполнителями
4.4. Графическая поддержка методики численного моделирования на
стадии тестирования
4.5. Выводы по главе

ГЛАВА 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БЕТОНОВ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДИКИ ОПТИМИЗАЦИИ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ОПЫТНЫХ ДАННЫХ
5.1. Анализ структурных взаимодействий в композиционных материалах
методом пошаговых итераций
5.2. Исследование зависимости механических свойств бетонов от
структурообразующих факторов
5.3. Выводы по главе
ГЛАВА 6. ПРАКТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ МЕТОДИКИ ОПТИМИЗАЦИИ СОСТАВОВ
БЕТОНОВ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
6.1. Экспериментальная проверка теоретических результатов
6.2. Рекомендации по использованию методики в процессе оптимизации
6.3. Внедрение результатов исследований на предприятиях стройиндустрии республики Мордовия
6.4. Технико-экономическая оценка проектирования бетонов методом численного моделирования
6.5. Выводы по главе
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЯ

Актуальность работы. Из всего многообразия строительных композиционных материалов самым динамичным является рынок потребления бетонов на основе различных видов вяжущего. Повышение качества конструкций и изделий из бетонов, снижение их стоимости, наряду с другими методами достигается способами подбора составов бетонов. Целью подбора составов бетонов является установление таких соотношений между компонентами, которые обеспечивают получение материала со всеми нормируемыми показателями качества при минимальном расходе цемента. Для достижения этой цели необходимо проведение оптимизационных исследований.
Расчет состава бетона по известным методам требует проверки и корректировки по результатам проведенных опытных экспериментов, что предполагает выполнение достаточно трудоемких экспериментальных исследований. Как правило, строительные лаборатории на предприятиях стройиндустрии проводят исследования и дают рекомендации по оптимальным составам бетона с учетом накопившегося опыта производства. На практике из одних и тех же материалов обычно приходится готовить бетоны различных классов с разной консистенцией бетонной смеси.
При проведении предварительных испытаний для каждого класса бетона рационально использование разработанных компьютерных методов оптимизации и тестирования опытных результатов лабораторных испытаний. В этой связи применение методов численного моделирования позволяющих сократить продолжительность и трудоемкость работ по оптимизации составов бетонов является актуальным. В диссертационной работе для оптимизации составов бетонов предложено использование численного моделирования на основе метода конечных элементов. Применение вычислительной техники вносит качественные изменения в процесс проектирования и оптимизации бетонов на основе использования

Таким образом, происходит анализ напряженно-деформированного состояния в КСМ при помощи несложной плоской модели, представляющей двухкомпонентную систему из зерен заполнителя и окружающей их матрицы.
Следует отметить, что идея представления сплошной среды в виде системы элементов конечных размеров уходит корнями в начало прошлого века и принадлежит Пуассону [184]. Однако лишь появление электронно-вычислительных машин позволило построить на основе этой идеи эффективные методы расчета [98, 134, 68, 152]. С помощью метода конечных элементов в диссертационной работе осуществляется решение двумерной задачи (с определением коэффициента перехода в трехмерную задачу) для линейно-упругой модели твердого тела или конструкции. С этой целью исследуемые объекты разбивались на подобные элементы треугольной формы. Достаточно подробное объяснение и описание метода конечных элементов можно найти в работах Зенкевича О.В., Родина Л.А. и др. [81, 139]. Анализ данных работ привел к выводу о том, что чем меньше выбранный конечный элемент, тем более точные получаются результаты расчета. Однако увеличение количества элементов ведет к весьма резкому росту затрат машинного времени (без современных типов ЭВМ некоторые задачи метода конечных элементов являются практически теоремой доказательства решения), которое носит характер геометрической прогрессии. Следует обратить внимание еще на одну особенность метода конечных элементов. В природе нельзя найти сосредоточенную силу, то есть нагрузку, передающуюся через поверхность точки. При данной же постановке задачи внешние воздействия осуществляются через узлы сетки в виде только сосредоточенных сил, которые представляют собой, по сути дела, равнодействующие нагрузок, передающихся через поверхность того или иного конечного элемента.
Математическая модель, полученная на основе как физической, так и математической идеализации, упрощает реальный объект. Математическая