Методология цифровой поддержки и компьютерного моделирования динамических процессов

В диссертации рассматриваются актуальные вопросы, связанные с компьютерным моделированием динамических процессов и разработкой на его основе алгоритмов, моделей и методов цифровой поддержки. Основной целью исследования является разработка информационных средств обеспечения автоматизации процессов проектирования при динамическом взаимодействии объектов сложной геометрической формы с природными средами. В работе предложены алгоритмы цифровой поддержки технологических процессов, нацеленных на оптимизацию мощности энергоэффективных сооружений и их систем через совершенствование геометрических параметров для оптимального взаимодействия с воздушными потоками. В качестве критериев оптимизации предложены: коэффициент увеличения скорости аэродинамических потоков (показатель энергоэффективности), величина суммарной реакции в основании конструкции (индикатор механической нагрузки). Проведен анализ влияния взаимного расположения объектов в комплексе на указанные параметры при различных углах атаки. Рассмотрены методы компьютерного и экспериментального моделирования аэродинамических процессов, а также исследовано влияние взаимного расположения объектов на их аэродинамические и статические характеристики. Предложена методика экспериментальной верификации моделей с использованием аэродинамической установки открытого типа. В работе предложена методика цифровой поддержки жизненного цикла конструкций с нестанадартными геометро-инерционными характеристиками, предполагающая дискретный метод решения задач гидрогазодинамики и анализа стержневых многомассовых систем, упрощающем моделирование аэродинамических нагрузок на такие объекты. Методика реализована в виде программного обеспечения. Разработан комбинированный (графо-аналитический) метод определения сейсмических нагрузок на конструкции. Метод адаптирован для инженерной практики, не требует углубленной математической подготовки и обеспечивает более высокую точность по сравнению со спектральным анализом. Разработана упрощенная методика автоматизированного определения динамического модуля Юнга материалов, положенная в основу специализированного программного обеспечения. Отличительной чертой методики выступает ее эффективность при незначительных скоростях деформирования и невысокие требования к применяемому оборудованию. В работе предложены конструктивные алгоритмы проектирования адаптивных систем вибро- и сейсмозащиты конструкций, предотвращающих разрушение в условиях максимальных околорезонансных нагрузок. Разработан геометрический критерий потери несущей способности для трубобетонного элемента. На основе предложенной модели создано программное обеспечение (решение), интеграция которого в вычислительные комплексы позволяет значительно сократить временные затраты при проектировании систем с такими элементами (включающих данные элементы). На основе обработки экспериментальных данных предложены инженерная и математическая модели продольного деформирования трубобетонных стержней, применимые в алгоритмах САПР. Предложена комплексная методика цифрового моделирования систем с трубобетонными конструкциями, сочетающая применение цифровых двойников композитных элементов и эквивалентных конечно-элементных моделей. Это позволяет сократить вычислительные ресурсы: глобальный анализ выполняется на конечно-элементной модели, а параметры элементов уточняются через вычислительные эксперименты с цифровыми двойниками. Научная новизна диссертации заключается в систематизации динамических воздействий, на основании которой предложены алгоритмы цифровой поддержки процессов проектирования энергоэффективных высотных объектов с интегрированными ветрогенераторами; предложении методики цифровой поддержки жизненного цикла объектов повышенного уровня ответственности со смещенными геометро-инерционными характеристиками при колебаниях различной природы, основанная на применении упрощенных многомассовых моделей; предложении варианта графоаналитического метода определения силовых и моментных сейсмических нагрузок на объекты со смещенными геометро-инерционными характеристиками; разработке упрощенной методики автоматизированного расчета динамического модуля Юнга материалов при свободных колебаниях; предложении новых конструктивных алгоритмов адаптивных систем вибро- сейсмозащиты; разработке геометрического критерия потери несущей способности при одноосном сжатии, инженерной и математической моделей кривых деформирования композитных конструкций; разработке обобщенной методики цифровой поддержки процессов проектирования за счет совместного применения конечно-элементных моделей и цифровых двойников трубобетонных конструкций. Теоретическая значимость работы заключается в систематизации и рационализации существующих, а также разработке новых методов и алгоритмов цифровой поддержки жизненного цикла объектов повышенного уровня ответственности при моделировании динамических процессов различной природы для обеспечения геометрических подходов вибро- сейсмозащиты. Разработанная методология цифровой поддержки и компьютерного моделирования приводит к значительному повышению уровня автоматизации проектных процедур и процессов проектирования инженерных объектов при динамическом взаимодействии с различными средами. Практическая значимость работы состоит в предложении новых методик цифровой поддержки и разработке алгоритмов проектирования новых конструктивных решений, их экспериментальном изучении при динамическом взаимодействии с различными природными средами, что приводит к увеличению эффективности на основных стадиях жизненного цикла объектов: стадии проектирования, стадии изготовления и стадии эксплуатации.