Металлоемкость vs прочность: как современное программное моделирование (CAE) позволяет оптимизировать конструкцию без потери надежности

В промышленном проектировании долгое время существовал непреложный компромисс: чтобы повысить прочность и надежность конструкции, нужно было увеличить количество металла. Это вело к перерасходу материалов, удорожанию изделий и усложнению монтажа. Сегодня этот компромисс преодолен благодаря системам инженерного анализа (CAE), которые позволяют создать оптимальную конструкцию, где нет лишнего грамма металла, но гарантирована требуемая прочность.

Эпоха «с запасом»: цена избыточной надежности

Традиционный подход к проектированию несущих конструкций, таких как кабельные эстакады и крупные кабельросты, базировался на опытных данных и умножении расчетных нагрузок на повышенные коэффициенты запаса прочности.

Всё это приводило к нескольким скрытым затратам для заказчика.

1. Перерасход материала. Конструкция становилась тяжелее, чем это реально необходимо для конкретных условий эксплуатации.
2. Удорожание логистики. Увеличенный вес и габариты повышали стоимость транспортировки к месту монтажа.
3. Усложнение монтажа. Массивные элементы требовали применения более мощной грузоподъемной техники и увеличивали трудозатраты. Фактически клиент платил больше не только за сам материал, но и за все сопутствующие операции.

Принцип работы: виртуальные испытания методом конечных элементов

Современное проектирование на заводе «ЭТИС» включает этап компьютерного инженерного анализа (CAE), в основе которого лежит метод конечных элементов (МКЭ). Как это работает?

• Создание виртуальной модели

3D-модель конструкции разбивается на множество мелких простых элементов — «конечных элементов», образующих сетку.

• Приложение реальных нагрузок

В программу вводятся все факторы, воздействующие на конструкцию согласно техническому заданию и нормативам (например, ГОСТ Р 52868-2007 для металлических кабельных лотков):

1. вес кабелей с учетом возможного запаса на развитие;
2. ветровые и снеговые нагрузки для уличных трасс;
3. сейсмические воздействия (для соответствующих регионов);
4. динамические нагрузки от вибрации оборудования;
5. вес монтажников для учета нагрузок при обслуживании.

• Анализ и оптимизация

Программа рассчитывает, как поведет себя каждый элемент сетки под нагрузкой: где возникают максимальные напряжения, где возможна недопустимая деформация (прогиб). Инженер-расчетчик видит эти данные наглядно (часто в виде цветовой карты напряжений) и может целенаправленно усилить конструкцию только в критических зонах, одновременно облегчив ее там, где материал недогружен.

Результат: легче, прочнее, экономичнее

Применение систем CAE и МКЭ позволяет перейти от проектирования «с запасом» к проектированию «по необходимости».

Результат для заказчика носит конкретный экономический характер:

• снижение металлоемкости на 15-25% для типовых конструкций без малейшего ущерба для несущей способности и срока службы;
• сокращение итоговой массы конструкции, что напрямую уменьшает стоимость материала и затраты на транспортировку;
• повышение надежности, так как анализ выявляет и устраняет «слабые места», которые могли быть неочевидны при традиционном расчете;
• сокращение сроков проектирования сложных нестандартных решений (например, переходных мостов или консольных опор), поскольку отпадает необходимость в изготовлении и испытании физических прототипов.

  Проектирование, основанное на данных

  Сегодня прочность конструкции определяется не толщиной металла, а точностью инженерного расчета. Метод конечных элементов — это инструмент, который переводит проектирование из разряда искусства с допущениями в область точной науки, основанной на данных.

Для клиента «ЭТИС» это означает получение не просто кабеленесущей системы, а оптимального технико-экономического решения, где за каждый вложенный рубль он получает максимум надежности, минуя переплату за избыточный, неработающий металл.