Программы для проектирования металлоконструкций: расчет, разработка и моделирование КМД чертежей
Программы для проектирования
В наше время, на рынке программного обеспечения для проектировщиков имеется огромный выбор программ. Вначале рынок был захвачен зарубежными производителями программного обеспечения. Программы были на английском языке, все учебные материалы и пособия также были на английском. Постепенно стали появляться программы русификации, учебники были переведены на русский язык. После на рынке стали появляться отечественные программы, а иностранные производители стали выпускать русскоязычные версии своих программ.
Постараемся разобраться в этом многообразии программного обеспечения для проектировщиков. Для удобства разделим все программы на следующие группы.
Бесплатная онлайн-программа sopromat.org для расчета балок и ферм
На сайте Sopromat.org представлена бесплатная онлайн-программа для расчета балок и ферм методом конечных элементов. Расчет может быть выполнен, в том числе, для статически неопределимых рам.
Сервис может быть полезен как студентам для выполнения курсовых работ, так и практикующим инженерам для определения параметров реальных металлоконструкций. Онлайн-ресурс позволяет:
- определить перемещения в узлах;
- рассчитать реакции опор;
- построить эпюры Q, M, N
- сохранить результаты расчетов и схему нагрузок;
- экспортировать результаты в формат чертежа DXF.
На сайте всегда находится самая свежая версия программы. Имеется версия Mini для скачивания и работы на мобильных устройствах. Мобильная программа обладает всеми преимуществами полноценной версии.
Программы для черчения.
Перейти в раздел |
Программы для черчения появились, пожалуй, первыми и были широко востребованы как в России, так и за рубежом. Одной из первых таких программ был AutoCAD. Принцип их действия был довольно похож на обычное черчение, с той лишь разницей, что линии проводились не на бумаге, а на экране. После выполнения чертежа на экране, его можно было распечатать на принтере. Главным плюсом можно назвать возможность копирования чертежа или его фрагментов для новых проектов. Качество чертежей распечатанных на принтере было несравнимо лучше, чем чертежи, выполненные вручную карандашом.
Пять бесплатных программ для разработчика металлоконструкций
Проектирование металлических конструкций – одно из важнейших направлений строительной деятельности. Для определения требуемых параметров профилей используется дорогостоящее лицензионное программное обеспечение, требующее наличия профильного образования и навыков работы с конкретным программным комплексом.
При этом бывают ситуации, когда нужно сделать чертеж «на коленке», подобрать нужный прокат, подсчитать вес балки для определения стоимости и заказа металла. В тех случаях, когда воспользоваться специальными программами нет возможности, удобными помощниками при расчете металлоконструкций могут стать бесплатные онлайн- и десктоп- программы:
- калькулятор металлопроката Арсенал;
- онлайн калькулятор Metalcalc;
- онлайн-программа sopromat.
org для расчета балок и ферм;
- расчет балок в Sopromatguru онлайн;
- desktop-программа «Ферма».
Программы для разработки 3D.
Перейти в раздел |
Программы для 3D проектирования сразу же, как только возможности компьютеров стали позволять выполнять рендеринг. Первыми были такие программы как 3D MAX и т.п. Они сразу же нашли широкое применение у архитекторов и дизайнеров. Профессиональные программы позволяли получать очень реалистичное изображение. Затем возможности работать с трехмерной графикой стали появляться у программ, которые первоначально предназначались для разработки чертежей, например, такие программы как AutoCAD и КОМПАС. Возможности построения трехмерных изображений постоянно увеличивались, а набор инструментов для работы с трехмерной графикой пополнялся. Качество графики этих программ достигло профессионального уровня, возможности этих программ с успехом используются для получения реалистичных трехмерных изображений.
Компас 3D
Программа используется для расчета нагрузок на металлоконструкции и разработки КМД чертежей. Дает возможность формировать всю необходимую документацию автоматически.
ПО имеет связь между 3d моделью чертежа с обозначенными спецификациями, а это значит, что при корректно составленном плане, уточнение вы получите автоматизировано.
Приложение имеет разнообразные издания, к примеру, «КОМПАС-Строитель», который помогает при работе в строительстве и самостоятельно создает всю необходимую техдокументацию.
Из минусов – частые зависания и проблемы с автосохранением, а также баги при работе с 3D моделями.
Программы для разработки чертежей КМ и КМД
Перейти в раздел |
Специализированные программы для разработки рабочей документаций на металлические конструкции появились не случайно. Специфика этой документации такова, что при разработке чертежей, проектировщик тратит много времени на выполнение таких примитивных операций как вычерчивание простых отдельных деталей, подсчет спецификаций и т. п. Построение же самой трехмерной модели металлического каркаса занимает относительно не большое количество времени. Конечная цель таких программ была изначально проста и конкретна: инженер делает трехмерную модель, а программа автоматически формирует комплект готовых к применению чертежей. Но путь к этой цели для многих программ был долгий. Первые версии были очень далеко от этой цели. Чертежи требовали очень большой доработки. В настоящее время, некоторые программы при грамотной настройке позволяют получать чертежи с очень высоким процентом готовности. Время, потраченное на разработку чертежей в таких специализированных программах, может быть в десять раз меньше чем в обычных чертежных программах с использованием двухмерного черчения.
Программа WH-Окна
Существует весьма удобная и простая программа, позволяющая выполнять проектирование окон с учётом размеров и материала, используемого для изготовления рам. Разработчиками предусмотрено наличие пошаговой инструкции, которая прилагается к данной программе, позволяющей в короткие временные сроки освоить принцип работы. Помимо окон данная программа позволяет проектировать также дверные проемы. Причём разработчиками заложена функция проектирования конструкций различных форм.
Проект окна в программе WH окна
Основные аспекты работы программы WH окна
Программа имеет функцию, позволяющую моделировать форму будущих стеклопакетов. Также она позволяет грамотно учитывать профили и сочетать существующие в базе модели окон, выпускаемые большим количеством производителей подобной продукции строительного рынка. При помощи заложенных в программу функций можно, учитывая профиль оконного блока, просчитать его стоимость с учётом себестоимости используемых материалов для сооружения коробки.
Также данная программа позволяет компоновать имеющуюся у производителя информацию в сопроводительные документы. Можно составлять прайс-листы и отчёты о проделанной работе для предоставления их заказчику.
Программы для разработки чертежей КЖ
Перейти в раздел |
Программы для разработки рабочей документации на железобетонные конструкции появились почти одновременно с программами для разработки чертежей КМ и КМД. По сути задача одна и та же: На основании трехмерной модели получить готовый пакет рабочей документации. Разница между этими программами заключается в конструктивных особенностях трехмерной модели и структурой конечной рабочей документации. Учитывая современные требования нормативных документов, добиться получение чертежей КЖ в автоматическом режиме очень не просто. Но в конечном итоге эта проблема будет решена.
Расчет деревянных конструкций
Особенности расчёта деревянных конструкций
Функциональные возможности программы APM Civil Engineering позволяют инженеру выполнить расчёты деревянных конструкций, которые, как и в случае со стальными и железобетонными конструкциями, можно разделить на два типа: проектировочный и проверочный.
Проектировочный расчёт предполагает подбор поперечных сечений деревянных элементов, удовлетворяющих требованиям прочности, жесткости и устойчивости в соответствии с заданными внешними силовыми воздействиями. Проверочный расчёт, являясь обратной задачей, позволяет инженеру сформировать заключение о пригодности к использованию поперечных сечений и надёжности узлов соединения элементов деревянных конструкций.
Реализованные в программе APM Civil Engineering способы работы с конструктивными элементами позволяют выполнять проверку деревянных элементов как на этапе проектирования, так и при выполнении проверки существующих зданий и сооружений.
Проектирование деревянных конструкций в APM Civil Engineering является последовательным процессом, на первом этапе которого, инженеру необходимо выполнить построение расчётной модели конструкции, с заданными условиями примыкания элементов друг к другу. Следующий этап проектирования требует выполнения статического расчёта и анализа напряжённо-деформированного состояния рассматриваемого объекта. Последующим этапом является использование встроенного в APM Civil Engineering функционала работы с деревянными конструктивными элементами. На основании полученных внутренних силовых факторов после выполнения статического расчёта, осуществляется подбор или проверка поперечных сечений деревянных конструкций в соответствии с требованиями действующих нормативных документов. В качестве результатов расчёта пользователь имеет возможность оценить распределение коэффициентов использования поперечных сечений деревянных элементов и при необходимости принять решение об оптимизации и унификации рассматриваемой конструкции, удовлетворяя предъявляемым критериям прочности, жёсткости и устойчивости.
Расчёт поперечных сечений и проверка их соответствии необходимым критериям не является конечной задачей проектировщика. Разработка проекта, как правило, должна сопровождаться конструированием узлов соединения деревянных конструкций на основании результатов выполненного расчёта.
Ограниченная область применения деревянных конструкций в пролетах, превышающих стандартные размеры пиломатериалов, привело к широкому распространению ферменных конструкций и конструкций из клееной древесины, а также комбинированных конструкций (металлодеревянных фермы, балок).
Модуль APM Wood, входящий в состав программы APM Civil Engineering, позволяет в автоматическом режиме выполнить расчёт узловых соединений деревянных конструкций. В качестве узлов рассматриваются соединения на металлических зубчатых пластинах (МЗП). Программа позволяет сформировать модель рассчитываемой конструкции произвольной плоской конфигурации, задать кинематические и силовые граничные условия соответственно в виде опор и действующих внешних нагрузок.
По результатам выполнения расчёта программа APM Wood в автоматическом режиме подбирает требуемые геометрические размеры МЗП и выполняет их расстановку на схеме. Перед выполнением расчёта по подбору размеров МЗП пользователь имеет возможность задать необходимые параметры соединений. Модель деревянных конструкций в APM Wood учитывает подрезку поперечных сечений элементов при их примыкании друг к другу, поэтому по результатам расчётов удаётся получить данные, готовые к использованию для формирования графической документации.
Отметим, что выполнение вышеуказанных расчётов требует удобной программной реализации статических расчётов деревянных конструкций от действия внешних нагрузок при их расчётных сочетаниях в соответствии с требованиями действующих нормативных документов.
Расчётное сочетание нагрузок (РСН) в APM Civil Engineering представляет собой функционал, в котором пользователь либо самостоятельно, либо используя процедуру автоматического вычисления, может задать все возможные комбинации внешних нагрузок, на которые должна быть рассчитана рассматриваемая конструкция.
Функциональные возможности РСН в APM Civil Engineering позволяют сгруппировать типы внешних воздействий на здание или сооружение в зависимости от их классификации, изложенной в действующих нормативных документах, а также задать правила формирования РСН, если имеются знакопеременные, взаимоисключающие или сопутствующие воздействия. Каждой из заданных нагрузок в автоматическом режиме присваиваются коэффициенты надёжности по нагрузке и коэффициенты сочетания и затем по результатам вычислений, в APM Civil Engineering имеется возможность графического вывода результатов расчёта РСН (включая перемещения по всем направлениям). Графический вывод представляет собой стандартную карту результатов, в которой отображается интересуемый силовой фактор в каждом из конечных элементов.
Возможности APM Civil Engineering в части выполнения расчётов строительных конструкций позволяют в автоматическом режиме осуществлять задание ветровых нагрузок, включая пульсацию, сейсмических нагрузок. Средняя составляющая основной ветровой нагрузки рассчитывается автоматически в зависимости от применяемых пользователем настроек программы, которые включают задание типа местности, ветрового района и иной информации, предусмотренной действующими нормативными документами для выполнения расчётов, и задаётся переменной по высоте к выделенным элементам объекта. Аналогичным образом осуществляется задание сейсмической нагрузки, которая может быть учтена с помощью заданных пользователем спектров ответа или в соответствии с методикой, изложенной в нормативных документах.
Программы для расчета конструкций
Перейти в раздел |
Использование компьютеров для расчетов строительных конструкций началось с их появления. Пожалуй, это первое, что научились делать компьютеры. Произошло это еще в советское время с появлением первых ЭВМ. (Электронно-вычислительных машин). В наше время эти программы распространились до такой степени, что многие инженеры-проектировщики давно разучились выполнять эти расчеты вручную. Достаточно ввезти исходные данные и компьютер выдает сертифицированный результат расчета.
Онлайн-калькулятор металлопроката Metalcalc
Онлайн-калькулятор Metalcalc – удобный ресурс для определения веса и длины металлопроката. При задании основных технические параметров изделия (номер сортамента или габаритные размеры профиля, его длина) программа определит его вес. Расчеты выполняются на основании действующих ГОСТов и отличаются максимальной точностью.
Программа имеет также и функцию обратного пересчета. Если указать массу и типоразмер профиля – сервис высчитает его длину. Ресурс абсолютно бесплатен и удобен в использовании.
Программы для проектирования по технологии BIM
Перейти в раздел |
Концепция проектирования по технологии BIM появилась относительно недавно, а теперь активно внедряется при мощнейшей поддержке государства. Суть технологии в том, что бы в модель содержала полную информацию о здании, начиная с подготовительных работ, конструкций, коммуникаций и кончая периодом обслуживания и эксплуатации объекта. Одни эту технологию ругают, другие хвалят. А причина очень простая, чем крупнее объект, тем целесообразнее использовать технологию BIM. Если проектировать ларьки, небольшие магазинчики, частные коттеджи, то применение этой технологии не принесет много пользы и чем меньше объект, тем бессмысленней применять эту технологию. И наоборот, чем крупнее объект, тем больший эффект принесет применение этой технологии BIM, особенно при строительстве крупных уникальных зданий и сооружений с большим сроком возведения и эксплуатации.
Калькулятор металлопроката Арсенал
Компания Арсенал предоставляет всем желающим возможность сэкономить свое время, воспользовавшись фирменной десктоп-программой для подсчета теоретического веса металлического профиля любых видов, в том числе – из черной и нержавеющей, а также – из цветного металла. На сайте доступна и онлайн-версия программы.
Для того чтобы выполнить расчет профиля нужно ввести информацию о толщине металла, длине отрезка, высоте и ширине. Можно также выбрать марку прокатного профиля из сортамента и задать требуемую длину. В этом случае программа определит его габаритные размеры и вес автоматически.
Этапы проектирования зданий из металлоконструкций
- Разработка концепции и чертежа проекта;
- Расчет металлоемкости конструкции;
- Проектно-конструкторские работы разделов АС, КЖ, КМ, КМД;
- Подготовка полного комплекта рабочей документации;
- Составление сметы на строительно-монтажные работы;
Мы готовы взять на себя весь спектр проектно-конструкторских работ или его отдельные этапы. Проекты быстровозводимых зданий из металлоконструкций разрабатываются с учетом всех требований Российского законодательства, строительных норм и правил (СНИП) и ГОСТ.
Что собой представляет данная металлоконструкция?
Процесс изготовления конструкции является довольно трудоемким, но более экономичным сравнительно с использованием сплошных балок.
В строительстве применяется парное количество составляющих элементов, которые соединяются между собой посредством косынок. А все составляющие данной металлоконструкции соединяются между собой либо при помощи сварочного аппарата, либо специальными клепками.
Таким образом можно сделать вывод что данная конструкция является своего рода каркасом (или скелетом) будущего сооружения, обшитая снаружи облицовочным материалом.
Так же металлическая ферма из профильного трубопроката является идеальным перекрытием для пролета любой длины, но чтобы правильно ее установить потребуется провести грамотные подсчеты.
Качественное изготовление конструкции при помощи сварки проводится на земле и только после этого переносится наверх и монтируется уже в собранном виде по верхней обвязке по ранее установленной разметке.
Только в этом случае можно говорить о надежности конструкции и о длительном времени ее эксплуатации. Фермы пространственного вида нуждаются в закреплении, потому что конструкция является жесткой и может нести высокие нагрузки.
ПРЕИМУЩЕСТВА
Проектирование раздела КМД — окончательный этап в проектировании металлоконструкций. В советское время он разрабатывался на заводах по изготовлению металлических конструкций в очень больших объемах. Нужно было учитывать возможности производства — где изготавливаешь там и проектируешь. Сейчас объемы разработки разделов ничтожно малы по всей России. Крупные заводы больше этим не занимаются. Вместо них эту работу выполняют частные проектные организации, удаленные сотрудники и студенты, освоившие трехмерные комплексы.
Я выполняю разделы КМД с помощью современных программ по проектированию. На моем сайте вы можете увидеть некоторые примеры.
С появлением программ (AdvanceSteel, Tekla) проектирование разделов КМД сильно изменилось. В основном это касается оформления чертежей. Изменения принято хвалить, ведь они появляются для улучшения.
Поэтому назову плюсы: высокая скорость, вероятность ошибок минимальна, информативная модель, возможность выдавать чертежи поэтапно.
Но при этом хочу отметить минусы проектирования:
— Студенты технического вуза или выпускники без опыта, изучив 3-х мерную программу, берутся за рабочее проектирование КМД. Страшно то, что за проект может взяться человек и вовсе без строительного образования. Легкий уровень проектирования — сарай, лавочки, козырьки, заборы — еще под силу непрофессионалам.
Но человек может взять в проект здание. От расчета сварного или болтового соединения зависят жизни людей. Здание может простоять первые год или два, но потом может случиться катастрофа — обрушение здания и жертвы.
Последствия масшабны: под ответственность попадают все, кто был причастен к проектированию. Если вашей фамилии нет в штампе, но вы каким-то образом что-то разрабатывали или консультировали, вас тоже обвинят в халатности. У нас очень серьезное дело, мы в ответе за жизни людей. Халатность — уголовно наказуемое деяние. Я не хочу вас пугать. Но хочется ли нести физическое наказание? Идти на сделку с совестью, чтобы мучиться всю жизнь?
— Очень страдает сварщик на производстве от непонимания, как наложены сварные швы, формы, катеты. Проектировщику КМД не хочется тратить время на обозначение этих единиц на основном чертеже, он выносит их в примечание стандартной фразой: «Катет сварного шва принять по наименьшей толщине из свариваемых деталей». Сварщику тяжело работать в таком режиме. И вы никогда не предугадаете его мыслей: любит ли он свою работу, или это лишь способ заработать деньги?
Подбирайте только ответственных работников, которые готовы досконально и щепетильно работать над проектом.
— Оформление чертежей производится по готовой модели, без опоры на руководства по оформлению чертежей КМД. В этих чертежах нет красивого опытного почерка, иногда все линии вычерчиваются одной толщиной. Нет осей на отправочных марках, нужные привязки отсутствуют.
3D-вид здания, 3D-узлы не нужны строителям и изготовителям на производстве. Им нужен рабочий чертеж. Когда я делал первые шаги в освоении проектирования, я увлекся 3D и сказал на заводе, что лучше посмотреть узел крепления прогона к ферме в 3D. На меня посмотрели как на дурака, а обозвали еще хуже. Если вы понимаете, какое крепкое словцо может быть на заводе.
— От корысти никуда не денешься — все пытаются заработать. Сделать быстро, получить свои деньги и снять с себя всю ответственность. Подход ради заработка вряд ли увеличит приток заказчиков.
Многие отказываются от качества в пользу денег. Не хотят тратить время на качественный монтаж и изготовление. Такие проектировщики теряют клиентов — никто не даст им второй шанс. А новых клиентов будет очень сложно привлечь, так как отзывы и репутация делают свое дело.
Обращайтесь к опытным специалистам, которые знают свое дело хотя бы 5 лет. Им можно доверить современный карандаш в виде 3-х мерного комплекса. Вы избежите вышеперечисленных минусов.
Программы для расчета металлоконструкций -Металлоконструкции
Программы для расчета металлических конструкций
Расчет металлоконструкций этап, который, по сути, определяет успешное производство и установку разного типа конструкций из металла. Для того, чтобы спроектировать металлоконструкции, зачастую требуются разные программы для расчета металлоконструкций, обязательно лицензионные, а значит и с высокой стоимостью. Но, работа с таким ПО требует не только колоссальных затрат, также важны профессиональные знания, соответствующее образование, а также навыки.
Но, также, иногда требуется сделать срочно то, что не требует особых навыков или программ со сложным и обширным наполнением. Или же, если нет возможности приобрести лицензионные дорогие ПО. В таком случае, есть ряд бесплатных программ, как для скачивания, так и онлайн версий. Ниже представлены бесплатные наиболее функциональные варианты бесплатных программ. А также инженерные комплексы со свободными и пробными версиями.
Программа RFEM

Одно из основных преимуществ – это возможность создания конструкций разной комбинации и моделей объемных и контактных элементов. В RFEM есть возможность расчета деформации, контактного напряжения основания, внутренние силы, а также напряжения и опорные реакции. Да, данная программа для постоянного пользования не является бесплатной, что понятно с ее рядом преимуществ. Но, есть возможность скачать бесплатную пробную версию на 90 дней, чего может быть достаточно для решения некоторых задач.
Онлайн-программа sopromat.org и программа RSTAB
Данная программа на сайте Sopromat.org удобна для расчета балок и ферм. Что немаловажно, она достаточно удобна и понятна не только для опытных инженеров для расчета реальных металлоконструкций, но также и для студентов. Вы сможете определить следующие параметры:
- Реакцию опор.
- Построить эпюры.
- Перемещение в узлах.
- Нагрузки.
Вы также можете скачать мобильную версию программы. Или же работать онлайн на сайте Sopromat.org
Программа RSTAB считается одним из лучших вариантов 3D-расчета для балочных конструкций из разных материалов. Например, сталь, железобетон, алюминий, а также древесина и многое другое. Благодаря качественно разработанному интерфейсу Вы легко рассчитаете внутренние силы, деформации и, в том числе, опорные реакции. Так же как и программа RFEM, RSTAB не бесплатна. Но есть возможность скачать пробную версию на 3 месяца, чего может быть вполне достаточно для срочной работы.
Расчеты строительных материалов, строительные калькуляторы и конструкторы
Есть множество вариантов онлайн программ и калькуляторов для строительных конструкций из металла. Преимущества большинства сайтов, на которых размещены такие программы в их разнообразии. Вы можете просто зайти и выбрать то, что Вам необходимо для Ваших расчетов. Например, есть сайт 3dstroyproekt.ru, где собраны ссылки на разные программы расчета, более того не только онлайн. Здесь можно рассчитать железобетонные и стальных конструкции. Кроме того, есть калькуляторы расчета оснований и фундаментов и многое другое.
На сайте zhitov.ru, Вы найдете онлайн калькуляторы для следующих расчетов:
- Крыши.
- Лестницы деревянные.
- Лестницы металлические.
- Строительные материалы.
- Разнообразные изделия из бетона и фундамент.
- Земляные работы.
- И прочее
Кроме того, в каждой секции есть калькуляторы под те или иные параметры. Например, для прямой лестницы, для лестницы с поворотом на 180 градусов. Поэтому, Вы легко сможете рассчитать что нужно.
ЛИРА-САПР
Программный комплекс ЛИРА — целый комплекс для расчета, а также проектирования разнообразных конструкций. Что очень удобно для расчета строительных объектов разной сложности. Немаловажно, что возможен также расчет статических нагрузок, разного типа воздействий (динамических, деформационных и температурных). Автоматизирует многие процессы проектирования, что снижает затраты по времени. Например, определение расчетных нагрузок и усилий, а так же проверка и подбор сечений конструкций из железобетона и стали. Возможно форсирование чертежей как колонн, так и балок, рабочего назначения.
В ЛИРА-САПР, можно провести исследование общей устойчивости модели и прочности сечений (при чем по разным теориям разрушений). Более того, во многих версиях можно смоделировать процесс возведения, учитывая монтаж элементов.
Завод металлоконструкций — изготовление металлоконструкций и монтаж металлоконструкций — Программы для расчета металлоконструкций
Похожие статьи
Склад из металлоконструкций от ООО «Металл Монтаж Сервис»
Большой металлический батут
Проектирование и расчет металлических конструкций
Особенности расчёта стальных конструкций
Программа APM Civil Engineering обладает широким инструментальными возможностями, позволяющими инженеру выполнить расчёты зданий и сооружений различного назначения, в основе которых приняты стальные несущие элементы. Различают две принципиальные группы выполняемых расчётов стальных строительных конструкций: проектировочный и проверочный.
Проектировочный расчёт в среде APM Civil Engineering позволяет осуществить подбор поперечных сечений стержневых элементов, толщин листового металла (пластины и оболочки), удовлетворяющих условиям прочности, жёсткости и устойчивости. Проверочный расчёт предполагает выполнение проверки заданных сечений на соответствие необходимым критериям.
Выполнение расчётов стальных конструкций в программе APM Civil Engineering, независимо от типа проводимого расчёта (проектировочный или проверочный), предполагает на начальном этапе построение конечно-элементной модели, включающей в себя при необходимости стержневые элементы, плоские элементы, моделируемые пластинами (оболочками), а также объёмные тела, с последующим вычислением параметров напряжённо-деформированного состояния. Последующий этап расчётов предполагает моделирование узлов (типовых, нетиповых) стальных конструкций с использованием объёмных (плоских) конечных элементов с включением их в общую модель здания или сооружения, или с передачей на них рассчитанных в общей модели силовых факторов или начальных смещений (в виде линейных перемещений и углов поворота).
Окончательным этапом выполнения расчётов стальных конструкций является проверка конструктивных элементов на соответствие критериям, предъявляемым к таким конструкциям, действующими нормативными документами.
Программа APM Civil Engineering обладает необходимым функционалом для выполнения проектировочных и проверочных расчётов стальных конструкций на каждом из описанных выше этапов.
Оценка напряжённо-деформированного состояния стальных конструкций выполняется на основании результатов расчёта эквивалентных напряжений в стержневых, плоских и объёмных элементах при внешнем термосиловом воздействии. Расчёт эквивалентных напряжений осуществляется в соответствии с известными теориями прочности (наибольших нормальных напряжений, наибольших деформаций, наибольших касательных напряжений, энергетической теории). Полученные результаты позволяют выполнить проверку прочности рассчитываемых стальных конструкций.
APM Civil Engineering позволяет выполнить расчёты общей и локальной устойчивости пространственных стальных конструкций.
Для стержневых стальных конечных элементов реализована проверка прочности и устойчивости поперечных сечений в соответствии с методиками, приведёнными в действующих нормативных документах. Расчёт таких элементов в программе APM Civil Engineering может быть выполнен по результатам формирования комбинаций внешних нагрузок или расчётным сочетаниям внутренних силовых факторов. Подобные расчёты, в соответствии с заданными правилами формирования расчётных сочетаний, позволяют учесть наиболее невыгодное сочетание внешних нагрузок. После выполнения указанных расчётов инженер имеет возможность графического вывода результатов проверки стальных конструктивных элементов. Результаты проверки выводятся в виде коэффициентов использования поперечных сечений в каждом из рассчитанных элементов по всем критериям, по которым выполняется проверка.
Расчётное сочетание нагрузок (РСН) представляет собой функционал, в котором пользователь либо самостоятельно, либо используя процедуру автоматического вычисления, может задать все возможные комбинации внешних нагрузок, на которые должна быть рассчитана рассматриваемая конструкция.
Расчётное сочетание усилий (РСУ) также является встроенным функционалом в APM Civil Engineering, который позволяет определить для рассматриваемой конструкции наиболее невыгодное сочетание внутренних силовых факторов в соответствии с критериями, изложенными в соответствующих нормативных документах.
Функциональные возможности РСУ и РСН в APM Civil Engineering позволяют сгруппировать типы внешних воздействий на здание или сооружение в зависимости от их классификации, изложенной в действующих нормативных документах, а также задать правила формирования РСУ и РСН, если имеются знакопеременные, взаимоисключающие или сопутствующие воздействия. Каждой из заданных нагрузок в автоматическом режиме присваиваются коэффициенты надёжности по нагрузке и коэффициенты сочетания и затем по результатам вычислений, в APM Civil Engineering имеется возможность графического вывода результатов расчёта РСУ и РСН (включая перемещения по всем направлениям). Графический вывод представляет собой стандартную карту результатов, в которой отображается интересуемый силовой фактор в каждом из конечных элементов.
Возможности APM Civil Engineering в части выполнения расчётов строительных конструкций позволяют в автоматическом режиме осуществлять задание ветровых нагрузок, включая пульсацию, сейсмических нагрузок. Средняя составляющая основной ветровой нагрузки рассчитывается автоматически в зависимости от применяемых пользователем настроек программы, которые включают задание типа местности, ветрового района и иной информации, предусмотренной действующими нормативными документами для выполнения расчётов, и задаётся переменной по высоте к выделенным элементам объекта.
Программа для проектирования и расчета конструкций
Мы официальные сертифицированные партнёры SOLIDWORKS
Advanced Drawing Tools Professional
Advanced Drawing Tools Professional
Advanced Mold Making Professional
Advanced Sheet Metal Professional
Нас выбрали более 10 000 клиентов!
Обратиться за консультацией: Даниил Че***, +7-495-989-21-77, [email protected]
Сертификаты авторизованного поставщика SOLIDWORKS ЗДЕСЬ
SolidWorks — проектирование зданий и промышленных объектов
При проектировании зданий важной составляющей процесса проектирования является архитектурная (дизайнерская) проработка проекта, требующая от САПР возможности описания внешних и внутренних форм будущего объекта. Для этого недостаточно создать интересные по форме геометрические объекты — требуется присвоить элементам 3D-модели текстуры соответствующих материалов из встроенной библиотеки текстур SolidWorks. Для получения фотореалистичных изображений могут быть также использованы возможности модуля PhotoWorks, входящего в пакет SolidWorks Professional.
С помощью SolidWorks были выполнены работы по проектированию составляющих частей комплекса и по взаимной увязке деталей и узлов и по окончательной сборке.
На этом рисунке показаны такие узлы комплекса, как опора ленточного конвейера, место погрузки угля в вагоны, бункер-питатель передвижной, место сортировки и устройство натяжное конвейера.
Специально для предварительной подготовки монтажа изделия в SolidWorks были разработаны технологические карты и технологические схемы монтажа сложных составных частей изделия, поставляемых на монтажную площадку в разобранном виде. Изготовление и монтаж изделия происходили при непосредственном участии проектировщиков, что ускорило монтаж, упростило понимание конструкции и последовательности сборки изделия. Важно отметить, что практически безошибочная собираемость была достигнута благодаря предварительной компьютерной сборке виртуальной модели комплекса в среде SolidWorks. Выявленное на этапе сборки расхождение на 200 мм в местах сопряжения механизмов объекта невелико по сравнению с общей длиной комплекса, составляющей более 200 м. Количество ошибок, обнаруженных при изготовлении узлов, сконструированных с помощью SolidWorks, было в несколько раз меньше, чем количество погрешностей узлов, спроектированных карандашом или с помощью систем 2D-моделирования.
Проектирование сварных конструкций
Рамные и ферменные сварные конструкции находят широкое применение в промышленном и гражданском строительстве. Сварные фермы используются в силовых конструкциях подъемно-транспортной техники, радиобашен и мачт, в перекрытиях цехов и ангаров и т. п. Фермы по сравнению со сплошными балками более экономичны по затрате металла, им можно легко придать любую форму в соответствии с условиями технологии, работы под нагрузкой или архитектуры; они относительно просты в изготовлении. Фермы применяют при самых разнообразных нагрузках и, в зависимости от назначения, придают им различную конструктивную форму — от легких прутковых конструкций до тяжелых, стержни которых могут компоноваться из нескольких элементов крупных профилей или листов. К примеру, в строительстве наибольшее распространение имеют разрезные балочные фермы — как самые простые в изготовлении и монтаже.
Постоянный рост требований к качеству выполнения проектно-конструкторских работ, а также необходимость точного расчета массовых и прочностных характеристик сварных конструкций на этапе проектирования являются важными факторами, заставляющими проектировщиков применять в повседневной практике различные средства автоматизации. Этот вопрос особенно актуален, например, для ферм подвижных крановых установок и покрытий больших пролетов строительных сооружений, где уменьшение веса дает большой экономический эффект.
Все эти факторы обусловили появление в начале 2000-х годов в базовой конфигурации SolidWorks специального инструментария для проектирования сварных конструкций. Создание сварной конструкции проводится по любому набору плоских или трехмерных эскизов в файле детали. Такой подход позволяет использовать для детального проектирования компоновочные эскизы без сложной прорисовки конструктивно-силовой схемы. Любой профиль определяется параметрами «Стандарт» (ГОСТ, ISO или ANSI), «Тип» и «Размер». Каждый тип профиля включает несколько типоразмеров. Указав в графической области тот или иной эскиз и выбрав нужный профиль из списка, можно несколькими движениями мыши сформировать основание рамы
К сварным элементам в SolidWorks относятся: сортамент (уголки, швеллеры, двутавры, трубы круглого, квадратного, прямоугольного сечения и т.д.), элементы разделки под сварку, концевые заглушки, косынки и элементы сварного шва. База данных профилей настраивается под конкретный набор типоразмеров профилей, используемых в производстве, и может быть пополнена пользователем.
При оформлении чертежа сварной конструкции SolidWorks позволяет проставлять позиции на составляющие элементы (несмотря на то, что проектирование идет в файле детали) и составлять спецификацию на входящие в конструкцию составляющие. На чертеж может быть добавлена специальная таблица вырезов с указанием наименования и длин обрезаемых профилей. Элементы таблицы вырезов наследуют свойства пользователя от эскиза профиля и элемента сварной конструкции. Можно назначать новые свойства или изменять существующие. Например, можно добавить свойство «Масса» и связать его с массовыми характеристиками модели. Создание связи между двумя этими свойствами позволит программе SolidWorks рассчитать массу твердого тела и отобразить ее в таблице вырезов. Система также автоматически выполнит расчет свойства «Длина» и покажет его в таблице вырезов. Таким образом, SolidWorks имеет достаточный набор средств для проектирования рамных и ферменных металлоконструкций с использованием сварных соединений.
Инженерный анализ строительных конструкций
В практике строительства часто возникают задачи оценки несущей способности и деформативности конструкций, зависящие от большого количества факторов. К таким факторам относятся многовариантный характер нагружения, сложные физические свойства материалов, особенности технологии изготовления и монтажа объектов, дефекты конструктивных элементов, приобретенные как во время изготовления, так и при эксплуатации сооружений. Поэтому судить о несущей способности можно только после большого количества расчетов, испытаний материалов и фрагментов конструкций.
SolidWorks предлагает мощные средства компьютерного моделирования и инженерного анализа характеристик строительных конструкций, позволяющие значительно продвинуться в решении этой задачи. В первую очередь к ним можно отнести функцию COSMOSXpress, входящую в базовый конструкторский модуль и предназначенную для быстрого анализа прочностных характеристик проектируемых блоков. Во-вторых, одним из серьезных и функциональных средств анализа является специализированный модуль COSMOSWorks, предназначенный для выполнения детальных расчетов с учетом различных факторов нагружения, оптимизации конструкции и вариантов решения задач.
Проектирование трубопроводов
Для проектирования трубопроводов в пакете SolidWorks Premium предусмотрен специальный модуль, получивший название Routing .
Модуль позволяет выполнять трехмерную прокладку трасс трубопроводов в сборочных моделях SolidWorks. Routing включает библиотеку стандартных изделий, которая содержит более 1700 стандартизованных деталей и узлов с различными вариантами исполнения. Библиотеку можно пополнять (предусмотрена возможность создания пользовательских библиотек элементов или добавления их в стандартную).
Пользователи Routing могут проектировать как типовые, так и гнутые или гибкие трубопроводы. SolidWorks не только автоматически вычислит длину каждого такого сегмента, но и автоматически создаст таблицу гибов для передачи ее на трубогибочный станок. Как и любые другие объекты SolidWorks, все отчетные таблицы, создаваемые в модуле проектирования трубопроводов, ассоциативно связаны с реальным трехмерным проектом и автоматически корректируются при каждом внесении изменений. Разумеется, все отчетные таблицы могут быть отображены на чертеже трубопровода. Используя данные функциональные возможности, пользователи системы могут моделировать не только металлические гнутые трубопроводы — например змеевики систем охлаждения, — но и разного рода гибкие шланги — например, подводные шланги гидравлических и пневматических систем. Гнутые элементы могут стыковаться с прямыми или другими гнутыми трубами в любом порядке и в любом сочетании как с использованием трубопроводной арматуры, так и с помощью сварки. Более того, при необходимости для каждого стандартного библиотечного элемента трубопроводной арматуры можно задать, какие его точки должны стыковаться только с гнутыми, а какие — только с традиционными трубами.
Так можно создать, например, фитинг для стыковки отвода трубопровода с гибким шлангом.
SolidWorks позволяет построить достаточно гибкий комплекс автоматизации работ для проектных организаций в области строительного проектирования.
____________
*** Звездочки вставлены в связи с изменениями от 01 июля 2021
AK «Транснефть» — News Press
ООО «НИИ Транснефть» приняло участие в волонтёрском проекте «Новогодний марафон добрых дел»Волонтёры ООО «НИИ Транснефть» посетили детские, социально-реабилитационные и медицинские учреждения в рамках «Новогоднего марафона добрых дел» — традиционного волонтёрского проекта ПАО «Транснефть», — проведя мероприятия сразу в нескольких регионах страны: в Москве, Ярославской и Тверской областях, Уфе и Альшевском районе Республики Башкортостан.
ООО «НИИ Транснефть» рассказало о цифровизации нормативного обеспечения отрасли на заседании технического комитета по стандартизации ТК 023Представители ООО «НИИ Транснефть» приняли участие в ежегодном отчётном заседании Технического комитета по стандартизации ТК 023 «Нефтяная и газовая промышленность». Мероприятие состоялось в г. Санкт-Петербурге в рамках 15-й Международной конференции «НЕФТЕГАЗСТАНДАРТ–2021» и собрало представителей более 35 организаций, входящих в состав комитета.
ООО «НИИ Транснефть» приняло участие в Конгрессе молодых ученых, проходившем 8–10 декабря 2021 года в образовательном центре «Сириус» в г. Сочи.
ООО «НИИ Транснефть» создало базу данных цифровой трехмерной нефтеперекачивающей станции НПС-15 для задач геотехнического мониторингаООО «НИИ Транснефть» разработало базу данных геоинформационной системы «Мониторинг» (далее – ГИС «Мониторинг») нефтеперекачивающей станции НПС-15 магистрального нефтепровода ВСТО-1. На разработку получено свидетельство Роспатента №2021622484 о государственной регистрации базы данных (правообладатели — ПАО «Транснефть», ООО «НИИ Транснефть» и ООО «Транснефть – Восток»).
ООО «НИИ Транснефть» освоило на базе научно-технического центра в г. Уфе проведение полного комплекса работ по неразрушающему контролю и испытаниям на специализированном оборудовании кольцевых сварных соединений участков трубопроводов диаметром от 530 до 1220 мм.
ООО «НИИ Транснефть» стало лауреатом первой премии научного конкурса в области развития АрктикиРабота ООО «НИИ Транснефть» признана лауреатом первой премии Международного конкурса научных, научно-технических и инновационных разработок, направленных на развитие и освоение Арктики и континентального шельфа. Награждение состоялось в рамках Международной конференции и выставки по освоению нефти и газа Российской Арктики и её континентального шельфа (RAO/CIS Offshore 2021), завершившейся в г. Санкт-Петербурге.
Работа сотрудника ООО «НИИ Транснефть», направленная на повышение надежности и безопасности строительства магистральных трубопроводов при помощи метода наклонно-направленного бурения, отмечена наградой V конкурса на соискание молодежной Губкинской премии. Данная премия посвящена 150-летию со дня рождения выдающегося ученого-основоположника нефтяной отрасли, педагога и общественного деятеля, академика Ивана Михайловича Губкина.
ООО «НИИ Транснефть» разработало диспергент для очистки поверхности воды от пленок нефти и нефтепродуктовООО «НИИ Транснефть» разработало диспергент для очистки поверхности воды от пленок нефти и нефтепродуктов. На изобретение получен патент № 2752312, правообладателями которого являются ПАО «Транснефть», ООО «НИИ Транснефть» и ООО «Транснефть – Порт Приморск». Данный диспергент зарегистрирован под товарным знаком «Димэкс» (Dimex – в англоязычном варианте).
В последнее время участились случаи поступления мошеннических предложений предприятиям и организациям, участвующим в закупочных процедурах, проводимых ПАО «Транснефть» и ООО «НИИ Транснефть».
В ООО «НИИ Транснефть» завершился второй тур III Международной научно-технической конференции молодежиВ ООО «НИИ Транснефть» прошёл второй тур III Международной научно-технической конференции молодежи ПАО «Транснефть» и организаций-членов Международной ассоциации транспортировщиков нефти (МАТН).
Строительный софт. Программы для конструирования зданий
20.11.2014
В строительном деле сейчас все больше применяются методы компьютерных расчетов и проектирования. Это объясняется их высокой точностью и надежностью, а так же тем, что подобные сервисы значительно экономят время.
Для проектирования и расчета зданий существуют конструкторские программы. Их функционал довольно широк: создание чертежей, расчет площадей и характеристик, расчет количества материала и т.д.
Конструкторы, архитекторы и инженеры используют современное программное обеспечение в своей работе
Строительные инженерные программы
Строительные инженерные и конструкторские программы можно разделить на 2 группы: профессиональные и упрощенные. Первые чаще всего платные, в силу своей сложности и большого количества различных возможностей, а вторые можно найти в бесплатном виде.
Любой софт для конструирования учитывает при работе законы физики и особенности материала, а так же производить расчеты с высокой точностью, а полученные данные и чертежи отправлять на печать по желанию пользователя. Немаловажно в современных условиях и то, чтобы программа поддерживала 64-битные операционные системы, в том числе и Mac OS. Ниже рассмотри чуть подробнее несколько конструкторских программных продуктов.
ArchiCAD
Этот пакет по праву считается одним из лучших для проектирования и инженерных расчетов. Лавным отличием последней версии (16) стало дополнение BIM-компонентами. Это принципиально новый вид проектирования, который позволяет использовать не только такие параметры для проектирования, но и добавлять для любого элемента информационную часть.
Это позволяет ArchiCAD не только визуализировать проект в 3D, но и спрогнозировать все эксплуатационные особенности будущего здания.
Возможности ArchiCAD поражают своим разнообразием
Таким образом, каждый элемент проекта будет снабжен такими сведениями, как: материал, цена (с расчетом полной стоимости), расписание строительных и монтажных работ и прочие примечания. Изменять их можно будет в любое время, при этом все внесенные изменения будут учтены программой и далее она внесет необходимые правки во все части проекта, которые связаны с изменяемой. Поддерживается 3D печать макетов.
AutoCAD
Одна из лучших программ для 2D и 3D проектирования. AutoCAD имеет в своем арсенале множество средств, позволяющих воссоздавать произвольные формы, а так же любые виды поверхностей и материалов. Готовую работу можно перевести в PDF, а так же распечатать модель на 3D-принтере.
Интерфейс программы AutoCAD
Отличным дополнением является возможность задать зависимость между объектами, при этом, например, параллельные прямые останутся параллельными, как бы не изменялся чертеж. Управление изображением возможно так же при помощи средств фотометрического освещения, что придает эффект реалистичности.
КОМПАС-3D
Это самая известная конструкторская программа для создания чертежей. С ее помощью, можно работать как с крупными проектами, так и с отдельными их частями. Настройки данного программного продукта очень гибкие, а потому можно воссоздать любые формы и поверхности. Работать возможно не только с чертежами, но и с таблицами, инструкциями, схемами и прочими атрибутами.
С помощью программы КОМПАС-3D можно моделировать как крупные, так и небольшие объекты
Последние версии поддерживают не только 32-, но и 64-разрядную систему. Удобным дополнением стало появление команды «Узлы металлоконструкций». С ее помощью можно создавать соединение между элементами металлоконструкций. Любые узлы соединения можно вывести в отдельный чертеж или 3D модель.
SCAD Office
Это пакет программ, предназначенных для проектирования различных конструкций, а так же выполнения расчетов прочности. Пакет содержит в себе расчетный калькулятор, определение нагрузок и вычисление различных показателей элементов строений и конструкций.
Интерфейс программы SCAD Office
Удобные модули, предназначенные для работы с данными, а так же анализ данных и их документирование. Имеется обширная библиотека готовых модулей и элементов. Помимо того, по итогам расчетов можно составлять расчетные схемы, визуализировать проекты.
HOME PLAN PRO
Простая программа для конструирования, позволяющая создавать чертежи зданий и рассчитывать некоторые параметры и составить план внутренних помещений. Конечно, возможностей у нее намного меньше, чем у крупных программных продуктов. Но, неоспоримым преимуществом является бесплатность данной программы и очень простой интерфейс.
В этой простой, на первый взгляд, программе можно создавать довольно крупные проекты
HOME PLAN PRO поддерживает множество популярных графических форматов, а готовые проекты можно отправлять по почте. База содержит огромное количество элементов (ока, двери, и прочие), а так же поддерживается работа со слоями и уровнями.
Как выбрать подходящую конструкторскую программу?
И всего разнообразия различного инженерного программного обеспечения трудно выбрать что-то определенное. Для того, чтобы понять, чему отдать предпочтение, стоит подробно представить себе какой проект нужно в итоге получить. Если будущая постройка крупная и масштабная, то пакеты серьезных инженерных программ справятся с этой задачей качественней и значительно быстрее.
Для расчета параметров дома или любой другой постройки, достаточно будет небольшой программы, производящей самые необходимые вычисления и составляющей чертежи нужной сложности.
Найти небольшое бесплатное приложения для проектирования и строительства не трудно, поскольку множество крупных, специализирующихся на данном виде деятельности, компаний разрабатывают и выкладывают в сеть свои небольшие приложения и программы.
Программа для расчета строительных конструкций
ProjectSteel (WIN 7, WIN10)
Программа для расчета строительных конструкций
Работа над программой приостановлена
Текущая версия – 2.4.3
Версия программы – beta. Это значит, что в ней могут быть ошибки и неточности. Программа представлена для ознакомления
Сведения о версиях
Дата | Версия (релиз) | Что нового |
---|---|---|
14/06/2018 | 1.0 | 1. Добавлена возможность автоматического расчета сечения в виде сварного короба 2. Добавлена возможность вычисления некоторых характеристик 3. Исправлены мелкие недочеты |
19/06/2018 | 1.1.1 | 1. Добавлен расчет на прочность балки 1-го класса 2. Исправлены мелкие недочеты |
20/06/2018 | 1.1.2 | 1. Исправлена погрешность при вычислении напряжений при ослаблении отверстиями |
26/06/2018 | 1.2 | 1. Добавлен расчет на прочность балки 2-го и 3-го классов 2. Незначительные изменения в интерфейсе |
09/07/2018 | 1.3 | 1. Добавлен расчет на прочность бистальной балки 2-го класса 2. ![]() |
17/07/2018 | 1.4.1 | 1. Добавлен расчет на прочность стенок подкрановых балок 2. Незначительные изменения в интерфейсе, добавление подсказок |
19/07/2018 | 1.4.3 | 1. Добавлена функция автоматического обновления |
21/07/2018 | 1.4.4 | 1. Добавлена функция связи с автором посредством e-mail с целью написания отзывов, пожеланий и фиксации ошибок |
30/07/2018 | 1.5 | 1. Добавлен расчет геометрических характеристик сварных параметрических сечений различных видов |
17/08/2018 | 1.6 | 1. Добавлен расчет на проверку общей устойчивости симметричных сечений балок 1-го класса |
12/09/2018 | 1.7 | 1. Добавлен расчет на проверку общей устойчивости сечений балок 2-го и 3-г классов |
11/10/2018 | 2.![]() | 1. Изменена концепция программы. Теперь программа будет включать расчеты не только стальных, но и иных строительных конструкций 2. Исправлены некоторые баги |
24/10/2018 | 2.1 | 1. Добавлен расчет определения площади окраски металлоконструкций |
28/10/2018 | 2.2 | 1. Добавлен расчет по переводу единиц измерения некоторых физических величин |
09/12/2018 | 2.3 | 1. Добавлен расчет на устойчивость стенки балки 1-го класса 2. Исправлены неточности и опечатки |
15/12/2018 | 2.3.2 | 1. Добавлен расчет на устойчивость стенки балки 2-го и 3-го классов 2. Небольшие усовершенствования |
28/12/2018 | 2.3.5 | 1. Добавлен расчет на подбор сечения ребер жесткости балок |
14/04/2019 | 2.4.2 | 1.![]() |
20/06/2019 | 2.4.3 | 1. Удалена возможность обновления программы. 2. Работа над программой приостановлена |
Программа предназначена для расчетов строительных конструкций по СП и СНиП.В одной программе будут разрабатываться модули для расчета различных видов конструкций – стальных, бетонных и железобетонных, деревянных и иных.Эта страница предназначена для скачивания программы.Программа не требует установки – “скачал и пользуйся”, – и распространяется “как есть” бесплатно.
Последнюю версию вы можете скачать, нажав на кнопку ниже.
929 Загрузки
Анализ напряжений, анализ рам и расчет металлических конструкций в программном обеспечении Inventor
[1]
СРЕДНИЙ. Чигаев, А.С. Кравчук, АНСИС, Инженерное издательство, Москва, (2004).
[2] ANSYS Mechanical, доступно: http: /www.анализ com/Products/Simulation+Technology/ Structural+Analysis/ANSYS+Mechanical, доступ: 12.01. (2015).
[3]
В. Юнис, Работа с Autodesk Inventor Professional 2012: Часть 1, Анализ напряжения и рамы, (2012).
[4] Как использовать анализ напряжений в Autodesk Inventor для проверки деталей. Доступно» http: /www.instructables.com/id/How-to-use-stress-analysis-in-Autodesk-Inventor-to/ al 2015, доступ: 20.01. (2015).
[5] А.Б. Каплун, Е.М. Морозов, ANSYS-в руках инженера, Издательство Машиностроения, Москва, (2003).
Моделирование Расчет и анализ электронной структуры и электрических свойств SnO2, легированного металлом
SnO 2 представляет собой почти изолированный полупроводниковый материал, который увеличивает контактное сопротивление материала электрических контактов AgSnO 2 . Следовательно, улучшая электрические характеристики SnO 2 , можно оптимизировать электрические свойства AgSnO 2 .Метод первого принципа, основанный на теории функционала плотности, используется для расчета электронной структуры, энергии образования, зонной структуры, плотности состояний и дифференциальной плотности заряда SnO 2 , легированного металлами Ti, Sr, Ge, Sb и Ga. , Результаты показывают, что легированные металлом материалы SnO 2 по-прежнему являются прямозонными полупроводниковыми материалами, а влияние электронных состояний металлических элементов усиливает локализацию энергетической зоны, уменьшает ширину запрещенной зоны, увеличивает концентрацию носителей на уровне Ферми. уровень и улучшает электрические характеристики материалов, а ширина запрещенной зоны SnO 2 , легированного галлием, является наименьшей, 0.041 эВ. И увеличивается перенос заряда между атомами металлов Sb, Sr, Ga, Ti и Ge и атомами O, особенно между атомами Ga и атомами O; то есть электрические характеристики легирования Ga лучше.
1. Введение
В качестве нового типа незагрязняющего контактного материала AgSnO 2 наиболее перспективен для замены токсичного AgCdO и широко используется в низковольтных электроприборах, таких как реле и автоматические выключатели, потому что хорошей стойкостью к сварке и эрозии [1].И материал представляет собой смесь Ag и SnO 2 , с Ag в качестве основного компонента и SnO 2 в качестве вспомогательного материала для повышения вязкости серебряной жидкости и предотвращения разбрызгивания капель Ag. Однако SnO 2 является разновидностью широкозонного полупроводникового материала с шириной запрещенной зоны 3,6 эВ [2, 3], что является основной причиной увеличения контактного сопротивления материала AgSnO 2 ; поэтому улучшение электрических характеристик SnO 2 стало актуальной проблемой, требующей решения.Исследования показали, что легирование металлов, оксидов металлов или редкоземельных элементов в SnO 2 может улучшить электрические характеристики SnO 2 [4, 5], тем самым достигнув цели оптимизации электрических свойств AgSnO 2 .
В последние годы ученые провели много исследований легирующей модификации SnO 2 . Шан Линьтин и др. приготовлены нанопорошки SnO 2 , легированные Ce-Cu, золь-гель методом и изучено влияние легирования на электронную структуру и фотоэлектрические свойства SnO 2 по первым принципам; результаты показали, что при содопировании Ce-Cu ширина запрещенной зоны уменьшилась, а электрические свойства SnO 2 улучшились [6]; Лю рассчитал зонную структуру и плотность состояний SnO 2 , легированного Bi, Cu, Ni, Co и Ti, с помощью программного обеспечения CASTEP и показал, что несколько легированных элементов могут улучшить электрические характеристики SnO 2 , и лучшим легирующим элементом является Bi [7]; Лю и др.подготовили порошок SnO 2 -TiO 2 золь-гель методом и подготовили контактный материал Ag-SnO 2 -TiO 2 гальванопокрытием и показали, что проводимость Ag-SnO 2 -TiO 2 контактный материал имел 66,9% IACS и плотность 9,63 г/см 3 , что было выше, чем национальный стандарт, указывая на то, что легирование TiO 2 улучшило электрические характеристики AgSnO 2 [8]; Ван и др. исследовали электронную структуру, зонную структуру и оптические свойства SnO -2-, солегированных Fe и Mn, из первых принципов и пришли к выводу, что после солегирования Fe и Mn материал проявляет полуметаллические свойства [9].Однако в настоящее время теоретические расчеты и анализы SnO 2 , легированные Sr, Ti, Sb, Ge и Ga, проводятся редко.
В этом исследовании была построена модель суперячейки 2 × 2 × 2 SnO 2 и исследована электронная структура, структура энергетических зон, плотность состояний, дифференциальная плотность заряда Sr-, Ti-, Sb-, Ge- и Ga -легированные SnO 2 были рассчитаны методом сверхмягкого псевдопотенциала в первом принципе, а также был проанализирован лучший легирующий элемент для улучшения электрических характеристик SnO 2 .Затем золь-гель методом были изготовлены легированные металлом порошковые материалы SnO 2 , а методом порошковой металлургии – контактные материалы Ag-SnO 2 , легированные металлом. Наконец, была протестирована проводимость контактных материалов Ag-SnO 2 , легированных металлами. Исследование предоставляет теорию и данные для дальнейшего изучения, а также метод осуществимости исследования контактного материала AgSnO 2 .
2. Кристаллические ячейки и метод расчета легированного металлом SnO
2 Материалы На рис. 1 показаны кристаллические структуры собственного SnO 2 .Внутренние Sno 2 , полученные непосредственно из структуры библиотеки материалов студии, представляет собой тетрагональную рутильную структуру с константами решетки A = B = 4,737 Å, C = 3,816 Å и α = β = γ = 90 ° [10–12], содержит два атома Sn и четыре атома O. Два атома Sn занимают центр и вершину тетраэдра. Четыре атома O расположены в тетраэдре и на поверхности соответственно.В этом исследовании была создана модель суперячейки 2 × 2 × 2 SnO 2 , и для анализа влияния легирования Sb, Sr, Ga, Ti и Ge на электрические характеристики SnO 2 2 × 2 × 2 легированных моделей были установлены с использованием атомов Sb, Sr, Ga, Ti и Ge для замены атома Sn, так что степень легирования составляет 6,25%, и это соотношение достигло относительно хорошего уровня легирования, подтвержденного исследовательская группа. Таким образом, это отношение легирования непосредственно принимается здесь.
Электронная структура, энергия образования, зонная структура, плотность состояний и дифференциальная плотность заряда SnO, легированного Sb, Sr, Ga, Ti и Ge 2 , рассчитаны с использованием модуля CASTEP в студии материалов 7.0, основанное на теории функционала плотности. И процесс расчета делится на две части. Во-первых, сверхмягкий алгоритм псевдопотенциала используется для оптимизации моделей SnO 2 , легированных Sb, Sr, Ga, Ti и Ge, для получения структурных параметров и стабильной структуры с наименьшей энергией. Затем энергия оптимизированной структуры рассчитывается с использованием приближения обобщенного градиента (GGA), взаимодействие валентного электрона с реальным ионом приближенно описывается сверхмягким псевдопотенциалом, а зонная структура, плотность состояний и дифференциальный заряд плотность получается.
Чтобы сделать SnO 2 , легированный Sb, Sr, Ga, Ti и Ge, сопоставимыми, параметры, используемые для расчета, заданы согласованными. Параметры расчета заданы следующим образом: энергетическая отсечка плоской волны выбрана равной 340 эВ, скорость сходимости самосогласованного поля (СКП) 2,0 × 10 −6 эВ/атом, число самосогласованной сходимости составляет 200 раз, а k-сетка области Бриллюэна выбрана как 3 × 3 × 4, а энергия электрона равна 1.0 × 10 −5 эВ/атом. Процесс расчета проводится в обратном пространстве [13, 14], а конфигурации валентных электронов выбраны как Sn:5s 2 5p 2 , O:2s 2 2p 4 , Sb:5s 2 5P 3 , SR: 4P 6 5S 2 , GA: 3D 10 4S 2 4P 1 , TI: 3P 6 3D 2 4S 2 и Ge:4s 2 4p 2 .
3. Анализ результатов расчета SnO, легированного металлами
2 Материалы3.1. Анализ кристаллической структуры и энергии образования
В таблице 1 показана кристаллическая ячейка после оптимизации SnO, легированного Sb, Sr, Ga, Ti и Ge 2 . Из оптимизированных данных видно, что после легирования Sb, Sr, Ga, Ti и Ge параметры решетки a и c и объем V больше, чем у собственного SnO 2 , и это связано с тем, что ионные валентные радиусы металлов Sb, Sr и Ti больше, чем у ионов Sn [15, 16].Общие валентные состояния и ионный радиус каждого металла показаны в табл. 2. Хотя ионные радиусы металлов Ge и Ga меньше, чем у ионов Sn, это видно по изменению длин связей между атомами после легирования металл ( x = Sb, Sr, Ga, Ti и Ge), как показано на рисунке 2(a), что связи Ge-Sn и связи Ga-Sn увеличиваются по сравнению со связью Sn-Sn, и связь Sn-O также увеличивается по сравнению со связью Sn-O чистого SnO 2 , что является основной причиной роста параметров и объемов решетки.
|
Син ионный радиус больше, чем у Sn, а отношение длины связи между атомами после допинга Sr , как показано на рисунке 2(b), больше; следовательно, объемное расширение ячейки больше после легирования металлического элемента Sr, а объемное расширение ячейки относительно меньше после легирования остальных металлических элементов. Результаты расчета соответствуют теоретической основе, указывая на то, что результаты оптимизации эффективны, а структура и метод, используемые для расчета, являются разумными.
Энергия образования E f может использоваться для оценки сложности легирования металлом и структурной стабильности легированного металлом SnO 2 . И чем больше энергия образования легирования металла, тем сложнее легирование металла и тем ниже стабильность. E f можно рассчитать по [17] следующему уравнению: где – полная энергия легированной металлом системы SnO 2 , – полная энергия чистой системы SnO 2 сверхъячейки того же размера с легирующей системой, и – энергии каждой молекулы стабильной металлической фазы; результаты расчета энергии пласта E f представлены на рисунке 3.Видно, что энергия образования E f легирования Ti наименьшая (т. е. стабильность наилучшая), за ней следуют Ge, Sb, Ga и Sr.
3.2. Анализ структуры энергетических зон
На рисунках 4(a)–4(e) показана зонная структура SnO, легированного Sb, Sr, Ga, Ti и Ge 2 . Энергетический уровень выше поверхности Ферми (0 эВ) является зоной проводимости, а энергетический уровень ниже поверхности Ферми — валентной зоной. Из структуры энергетических зон чистого SnO 2 в [18] видно, что SnO 2 относится к прямозонному полупроводниковому материалу, а значение ширины запрещенной зоны чистого SnO 2 равно 1.003 эВ. Из теории полупроводников известно, что физические свойства материалов в основном определяются энергетическими зонами вблизи поверхности Ферми; поэтому в данной работе в основном анализируются энергетические зоны вблизи поверхности Ферми. Из рисунков 4(a)–4(e) видно, что после легирования SnO 2 металлическими элементами Sb, Sr, Ga, Ti и Ge верхняя часть валентной зоны и нижняя часть зоны проводимости все еще находятся в точке G; то есть материалы SnO 2 , легированные металлическими элементами Sb, Sr, Ga, Ti и Ge, по-прежнему являются полупроводниковыми материалами с прямой запрещенной зоной. И по сравнению с чистым SnO 2 валентная зона вблизи поверхности Ферми заметно измельчается, а количество энергетических уровней в валентной зоне значительно увеличивается, что увеличивает число электронов, которые могут переходить в валентную зону; взаимодействие между электронами усиливается, и электрические характеристики улучшаются. Согласно исследованиям Jiang et al. [19], Лу и соавт. [20] и других ученых, мы видим, что чем меньше ширина запрещенной зоны, тем лучше электрические характеристики; поэтому электрические свойства SnO 2 , легированного Sb, Sr, Ga, Ti и Ge, подробно проанализированы по ширине запрещенной зоны.
Как видно из рис. 4(а), после легирования Sb энергетический уровень зоны проводимости смещается на более низкий уровень и становится более плотным, чем у чистого SnO 2 , в основном сосредоточенным в области (0 эВ~5 эВ) и локальность усиливается, а дно зоны проводимости смещается вниз, пересекая поверхность Ферми. Энергетический уровень валентной зоны также становится более плотным после легирования Sb и немного смещается на более низкий энергетический уровень. Следовательно, после легирования Sb ширина запрещенной зоны между валентной зоной и зоной проводимости уменьшается; то есть ширина запрещенной зоны меньше, чем у чистого SnO 2 .Из рисунков 4(b)–4(e) видно, что после легирования Sr, Ga, Ti и Ge энергетические уровни зоны проводимости все перемещаются на более низкий энергетический уровень, в основном сосредоточенный в диапазоне ( 0 эВ∼5 эВ), а легирование Ga приводит к тому, что дно зоны проводимости пересекает поверхность Ферми. И валентная зона зависит от легирующего металла. После легирования Sr и Ga, как показано на рисунках 4(b) и 4(c) соответственно, новые энергетические уровни появляются в области валентной зоны −15 эВ∼−10 эВ, а легирование Sr вызывает еще одну новую энергию уровень появляется при −35 эВ∼−30 эВ, что приводит к уширению валентной зоны.После легирования Ti, как показано на рис. 4(e), появляются новые энергетические уровни при −35 эВ∼−30 эВ и −60 эВ∼−55 эВ, что приводит к дальнейшему расширению валентной зоны.
После анализа легирования Sb, Sr, Ga, Ti и Ge уровни валентной зоны уплотняются вблизи поверхности Ферми, так что локальность усиливается, а после легирования Ti вершина валентной зоны пересекает поверхность Ферми . Поэтому при легировании SnO 2 Sb, Sr, Ga, Ti и Ge ширина запрещенной зоны между валентной зоной и зоной проводимости различна; то есть значения ширины запрещенной зоны различны.Рассчитанные значения Brandgap перечислены в таблице 3.