Обґрунтування вибору розрахункової моделі ескалаторного тунелю в плоскій і просторовій постановках
Loading...
Date
2023
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Український державний університет науки і технологій, Дніпро, Україна
Abstract
UKR: Мета. Виконати аналіз аналітичних і чисельних методів математичного моделювання ескалаторного тунелю. Виявити основні характеристики та відмінності методів, які базуються на плоскій або просторовій постановці. Обґрунтувати вибір розрахункової моделі ескалаторного тунелю та його постановку. Методика. Для досягнення поставленої мети проаналізовано низку аналітичних методів, що ґрунтуються на плоскій (2D) постановці (метод зазору, метод контролю втрати об’єму, метод обмеження переміщення). Розглянуто підходи в чисельних методах, зокрема в методі скінченних елементів, які успішно застосовували плоску постановку. Проаналізовано також і просторову (3D) постановку в методі скінченних елементів. Аналіз чисельного експерименту на основі 3D-моделей показує, що тривимірна структура змушує приймати інтерпретаційні рішення, які не враховані в поперечному перерізі, тобто у двовимірній моделі. Результати. Розроблені скінченно-елементні моделі ескалаторного тунелю в плоскій і просторовій постановках, причому 2D-модельтовщиною 1 м повторювала умови 3D-моделі в її середній частині. Отримані параметри напружено-деформованого стану, які піддавалися порівняльному аналізу. З’ясовано, що значення норм горизонтальних та вертикальних напружень у фрагменті 3D-моделі (середина) та у 2D-моделі мають відмінність відповідно в 3,2 та 7,2%.Наукова новизна. На основі результатів проведеного обґрунтування вибору розрахункової моделі ескалаторного тунелю доведено, що застосування 2D-моделей є адекватним системі взаємодії ескалаторного тунелю з оточуючим масивом. Таке твердження засвідчене майже ідентичним розподілом напружень і деформацій в скінченно-елементних моделях в плоскій і просторовій постановках. Практична значимість. В ході досліджень доведено, що плоска скінченно-елементна модель ескалаторного тунелю є адекватною поставленій задачі за умови її застосування в декількох характерних перерізах ескалаторного тунелю, тобто створення низки моделей в 2D-постановці, що дозволяють врахуватиїї положення по довжині тунелю, що розраховується.
ENG: Purpose. To perform an analysis of analytical and numerical methods of mathematical modeling of an escalator tunnel. To identify the main characteristics and differences of methods based on flat or spatial settings. To justify the choice of the calculation model of the escalator tunnel and its setting. To justify the choice of the calculation model of the escalator tunnel and its construction. Methodology. To achieve the goal, a number of analytical methods based on a flat (2D) setting (Gap method, Volume loss control method, Convergence-confinement method) were analyzed. Approaches in numerical methods, in particular in the method of finite elements, which have successfully applied flat setting, are considered. The spatial (3D) setting in the finite element method is also analyzed. Analysis of a numerical experiment based on 3D models shows that the three-dimensional structure forces interpretation decisions that are not taken into account in the cross-section, that is, in the two-dimensional model. Findings. Finite-element models of the escalator tunnel were developed in flat and spatial settings, and the 2D model with a thickness of 1 m repeated the conditions of the 3D model in its middle part. The obtained parameters of the stress-strain state were subjected to comparative analysis. It was found that the values of the norms of horizontal and vertical stresses in the fragment of the 3D model (middle) and in the 2D model differ by 3.2 and 7.2 %, respectively. Originality. Based on the results of the justification of the choice of the calculation model of the escalator tunnel, it was proved that the use of 2D models is adequate for the system of interaction of the escalator tunnel with the surrounding massif. This statement is evidenced by the almost identical distribution of stresses and strains in finite-element models in flat and spatial settings. Practical value. In the course of research, it has been proven that the flat finite-element model of the escalator tunnel is adequate for the given task, provided that it is used in several characteristic sections of the escalator tunnel, that is, the creation of a number of models in 2D, which allows considering its position along the length of the calculated tunnel.
ENG: Purpose. To perform an analysis of analytical and numerical methods of mathematical modeling of an escalator tunnel. To identify the main characteristics and differences of methods based on flat or spatial settings. To justify the choice of the calculation model of the escalator tunnel and its setting. To justify the choice of the calculation model of the escalator tunnel and its construction. Methodology. To achieve the goal, a number of analytical methods based on a flat (2D) setting (Gap method, Volume loss control method, Convergence-confinement method) were analyzed. Approaches in numerical methods, in particular in the method of finite elements, which have successfully applied flat setting, are considered. The spatial (3D) setting in the finite element method is also analyzed. Analysis of a numerical experiment based on 3D models shows that the three-dimensional structure forces interpretation decisions that are not taken into account in the cross-section, that is, in the two-dimensional model. Findings. Finite-element models of the escalator tunnel were developed in flat and spatial settings, and the 2D model with a thickness of 1 m repeated the conditions of the 3D model in its middle part. The obtained parameters of the stress-strain state were subjected to comparative analysis. It was found that the values of the norms of horizontal and vertical stresses in the fragment of the 3D model (middle) and in the 2D model differ by 3.2 and 7.2 %, respectively. Originality. Based on the results of the justification of the choice of the calculation model of the escalator tunnel, it was proved that the use of 2D models is adequate for the system of interaction of the escalator tunnel with the surrounding massif. This statement is evidenced by the almost identical distribution of stresses and strains in finite-element models in flat and spatial settings. Practical value. In the course of research, it has been proven that the flat finite-element model of the escalator tunnel is adequate for the given task, provided that it is used in several characteristic sections of the escalator tunnel, that is, the creation of a number of models in 2D, which allows considering its position along the length of the calculated tunnel.
Description
О. Тютькін: ORCID 0000-0003-4921-4758; С. Бєлікова: ORCID 0000-0003-0707-7791
Keywords
ескалаторний тунель, спорудження тунелю, аналітичні методи, метод скінченних елементів, плоска та просторова постановки, escalator tunnel, construction of a tunnel, analytical methods, finite element method, flat and spatial settings, КТІ
Citation
Бєлікова С. І., Тютькін О. Л. Обґрунтування вибору розрахункової моделі ескалаторного тунелю в плоскій і просторовій постановках. Мости та тунелі: теорія, дослідження, практика. Дніпро, 2023. Вип. 23. С. 37–44. DOI: 10.15802/bttrp2023/281127.