雷嘵暉 ， 呂曉蘭 ， 陸岱鵬 ， 等 江浙區(qū)域農(nóng)用塑料大棚鋼架風(fēng)雪受力分析 J 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) ， 2018， 46( 6) : 185 188doi: 1015889/j issn1002 1302201806048江浙區(qū)域農(nóng)用塑料大棚鋼架風(fēng)雪受力分析雷嘵暉 ， 呂曉蘭 ， 陸岱鵬 ， 張美娜 ， 夏禮如( 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所 ， 江蘇南京 210014)摘要 : 針對(duì)江浙地區(qū)普遍采用的 3 種農(nóng)用塑料大棚 GP C622、GP C825、GP C832， 應(yīng)用有限元分析軟件HyperWorks， 對(duì)其骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了風(fēng)載和雪載工況下的非線性應(yīng)力分析 ， 為后續(xù)大棚鋼架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù) 。經(jīng)分析 ， 在風(fēng)載工況下 ， 3 種大棚可承受極限側(cè)向風(fēng)速依次為 20、16、20 m/s; 在雪載工況下 ， 3 種大棚可承受極限積雪厚度依次為 189、143、184 cm。關(guān)鍵詞 : 農(nóng)用塑料大棚 ; 非線性應(yīng)力分析 ; 單拱 ; 風(fēng)載 ; 雪載中圖分類號(hào) : S6251 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 : A 文章編號(hào) : 1002 1302( 2018) 06 0185 04收稿日期 : 2016 09 02基金項(xiàng)目 : 江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金 編號(hào) : CX( 14) 2112 。作者簡(jiǎn)介 : 雷嘵暉 ( 1988) ， 男 ， 河南焦作人 ， 碩士 ， 研究實(shí)習(xí)員 ， 主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械研究 。Tel: ( 025) 84391123; E mail: leixiaohui 2008163 com。通信作者 : 夏禮如 ， 碩士 ， 研究員 ， 主要從事設(shè)施農(nóng)業(yè) 、農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備 、農(nóng)業(yè)科技管理等研究 。Tel: ( 025) 84390431; E mail: xlrjaas126 com。塑料大棚由于具有骨架材料少 、建造成本低 、氣候適應(yīng)性好 、種植效益相對(duì)較高的特點(diǎn) ， 近年來(lái)在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用 1 3。農(nóng)用塑料大棚在一年中經(jīng)常會(huì)受到大風(fēng)大雪的吹蝕 ， 如果風(fēng)力較大或者雪量較多 ， 那么棚體的鋼架結(jié)構(gòu)很可能承受不住風(fēng)雪載荷 ， 導(dǎo)致塑性變形或坍塌 。塑料大棚鋼架的選型及設(shè)計(jì)往往依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn) ， 而傳統(tǒng)的物理試驗(yàn)又不容易精確地測(cè)量大棚鋼架的抗載能力 ， 本研究針對(duì)江浙一帶常用的 3 種農(nóng)用塑料大棚鋼架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了風(fēng)雪載荷的 CAE 非線性應(yīng)力分析 。大棚單拱結(jié)構(gòu)與配置如表 1 所示 4 6。目前市場(chǎng)上各種 CAE 分析軟件層出不窮 ， 各種軟件計(jì)算水平也是有高有低 ， CAE 分析的結(jié)果很大程度上依賴于軟件的可靠性和分析人員的專業(yè)技能 ， 因此選擇合適的 CAE 分析軟件同樣相當(dāng)重要 。Altair 公司的 HyperWorks 是目前在世界范圍內(nèi)十分流行而又專業(yè)可靠的 CAE 分析集成軟件 ， 它不僅具有對(duì)現(xiàn)有機(jī)械零件強(qiáng)大的應(yīng)力分析能力 ， 而且還能夠?qū)ΜF(xiàn)有 的 零 件 進(jìn) 行 驚 人 的 優(yōu) 化 分 析 。因 此 本 研 究 采 用HyperWorks 軟件來(lái)完成塑料大棚鋼架抗風(fēng)雪受力分析 。表 1 大棚單拱結(jié)構(gòu)與配置大棚結(jié)構(gòu)跨度( m)頂高( m)肩高( m)通風(fēng)部位拱管材料 ( mm)直徑 厚度拱間距( m)縱拉桿( 道 )卡槽( 道 )下卡槽高度( m)上卡槽高度 ( m)加固斜撐( 根 )門卷膜桿及卷膜器 ( 套 )GP C622 6 25 15 肩下部 22 12 06 3 2 4 如有 2 道卡槽高0 5 0 8， 否則高 08 1015 4 搖門 0 2GP C825 8 33 16 上肩部 25 15 065 3 4 05 08 16 4 搖門或移門 2GP C832 8 33 18 上肩部 32 15 08 3 4 05 08 18 4 搖門或移門 2注 : 螺旋樁 、地拉桿 、活動(dòng)立柱等根據(jù)需要配置 ; 縱拉桿鋼管外徑及壁厚等與拱桿 、斜撐相同 。1 有限元模型建立1 1 三維建模3 種大棚都由若干單拱羅列而成 ， 4 5 個(gè)單拱間添加 1 根帶橫梁的加強(qiáng)單拱 。為簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)運(yùn)算周期 ， 加快運(yùn)算時(shí)間 ，本研究忽略若干橫梁對(duì)大棚鋼架強(qiáng)度的加強(qiáng)作用 ， 對(duì)無(wú)橫梁?jiǎn)喂斑M(jìn)行受力分析 ， 3 種大棚單拱的三維數(shù)字模型如圖 1 所示 。1 2 網(wǎng)格劃分采用 1 階 5 mm ×5 mm 四邊形殼網(wǎng)格 quad4 對(duì) 3 種型號(hào)單拱進(jìn)行 CAE 網(wǎng)格劃分 。GP C622 單元數(shù) 25 284， 節(jié)點(diǎn)數(shù)25 298; GP C825 單元數(shù) 38 304， 節(jié)點(diǎn)數(shù) 38 320; GP C832單元數(shù) 48 600， 節(jié)點(diǎn)數(shù) 48 620。其中 ， 1 階四邊形 ( quad4) 單元占總單元比例為 100%， 符合網(wǎng)格劃分要求 7 9。單拱網(wǎng)格如圖 2 所示 。1 3 材料及屬性3 種型號(hào)單拱材料皆采用 Q235A。材料基本參數(shù)值如表2 所示 。Q235A 應(yīng)力應(yīng)變曲線 ( 曲線 ) 如圖 3 所示 ， 應(yīng)力應(yīng)變曲線值如表 3 所示 。在 Hyperworks 的 Load Collector 中創(chuàng)建 TABLES1， 并將表3 數(shù)據(jù)逐一輸入 ， x( * ) 為應(yīng)變值 ， y( * ) 為應(yīng)力值 ( 單位 :MPa) ( 圖 4) 。在 Materials 中創(chuàng)建 MAT1， 并加載非線性選項(xiàng)卡 MATS1， 相關(guān)屬性設(shè)置如圖 5 所示 。E 代表?xiàng)钍夏Ａ?， G 代表剪切模量 ， NU 代表泊松比 ， HO 代表密度 。黃色 TID 下加載 TABLES1。類型 TYPE 選擇 PLASTIC 塑性材料 。YF 為塑性變形中所選用的屈服準(zhǔn)則 ， 選擇默認(rèn)類型 1von Mises581江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2018 年第 46 卷第 6 期表 2 Q235A 材料基本參數(shù)材料楊氏模量( MPa)泊松比密度( kg/m3)屈服強(qiáng)度( MPa)抗拉強(qiáng)度( MPa)Q235A 211 ×10503 79 ×10330651 390表 3 Q235A 應(yīng)力應(yīng)變曲線值應(yīng)力值 ( MPa) 應(yīng)變值30651 0000040256 0057 34353 0085046204 0111 148672 0137 450888 0162 253105 0187 355206 0210 957328 0234 759052 0257 2屈服準(zhǔn)則 。H 為塑像變形中材料的硬化準(zhǔn)則 ， 選擇默認(rèn)值1各項(xiàng)同性硬化準(zhǔn)則 。LIMT1 為屈服應(yīng)力 。TYPSTN 為應(yīng)力應(yīng)變曲線的輸入類型 ， 與 TID 對(duì)應(yīng) ， 默認(rèn)選擇 1。1 4 約束與受力對(duì)于約束 ， Hypermesh 中網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的約束自由度有 6 個(gè) ，如圖 6 所示 ， dof1 dof 3 分別表示 x、y、z 這 3 個(gè)方向上對(duì)節(jié)點(diǎn)位移的限制 ， dof 4 dof 6 分別表示 x、y、z 這 3 個(gè)方向上對(duì)節(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的限制 。本研究對(duì)大棚單拱的約束采用 SPC ( Single PointConstraint) 。根據(jù) 農(nóng)用單體鋼架大棚安全技術(shù)規(guī)范 ， GP C622 埋入地下高度為 35 cm， GP C825 和 GP C832 埋入地下高度為 40 cm。CAE 網(wǎng)格模型中針對(duì)埋入地下的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行 x、y、z 這 3 個(gè)方向上的自由度約束 。由圖 7 可見(jiàn) ， 兩單拱間地表上方風(fēng)載面積 a = 拱間距 ×拱離地高度 ， 側(cè)向風(fēng)力 F1= a × 風(fēng)壓 。F1均分到單拱各受力節(jié)點(diǎn) ， 可得出各受力節(jié)點(diǎn)風(fēng)力大小 。由圖 8 可見(jiàn) ， 兩單拱間覆雪區(qū)域面積 b = 拱間距 × 覆雪寬度 ， 雪載力 F2= b × 雪壓 。F2均分到單拱各受力節(jié)點(diǎn) ， 可得出各受力節(jié)點(diǎn)雪載力大小 。3 種型號(hào)單拱受力均如圖 9 所示 。粉紅色水平向左箭頭代表側(cè)向風(fēng)載 ， 藍(lán)色豎直向下箭頭代表雪載 ， 大紅色三角代表固定約束 。對(duì)于風(fēng)載 ， 風(fēng)速與風(fēng)壓的關(guān)系 ， 有如下關(guān)系式 10 11:v =2P槡=2P1槡25= 1 6槡P。 ( 1)681 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2018 年第 46 卷第 6 期式中 : v 為風(fēng)速 ， 單位 m/s; 為空氣密度 ， 取 1 25 kg/m3; P 為風(fēng)壓 ， 單位 Pa。風(fēng)壓與風(fēng)力等級(jí)的關(guān)系如表 4 所示 6。對(duì)于雪載 ， 雪壓與積雪厚度的關(guān)系 ， 有如下關(guān)系式 :P =9 8 × × h( Pa) 。 ( 2)式中 : P 為雪壓 ， 單位 Pa; 為積雪密度 ， 經(jīng)測(cè)量雪密度為100 kg/m3; h 為積雪厚度 ， 單位 m。取 =100 kg/m3， 則 :表 4 風(fēng)壓與風(fēng)力等級(jí)的關(guān)系風(fēng)力級(jí)數(shù) 名稱相當(dāng)于空曠平地上標(biāo)準(zhǔn)高度 10 m 處的風(fēng)速( m/s)伯努利公式計(jì)算空曠平地上標(biāo)準(zhǔn)高度10 m 處的風(fēng)壓 ( kPa)0 靜風(fēng) 0 02 0 0000 0251 軟風(fēng) 03 15 0000 056 3 0001 4062 輕風(fēng) 16 33 0001 6 0006 8063 微風(fēng) 34 54 0007 225 0018 2254 和風(fēng) 55 79 0018 906 0039 0065 清勁風(fēng) 80 107 004 0071 5566 強(qiáng)風(fēng) 108 138 00729 0119 0257 疾風(fēng) 139 171 0120 756 0182 7568 大風(fēng) 172 207 0184 9 0267 8069 烈風(fēng) 208 244 0270 4 0372 110 狂風(fēng) 245 284 0375 156 0504 111 暴風(fēng) 285 326 0507 656 0664 22512 颶風(fēng) 327 369 0668 306 0851 00613 370 414 0855 625 1071 22514 415 461 1076 406 1328 25615 462 509 1334 025 1619 25616 510 560 1625 625 19617 561 612 1967 006 2340 9h =P980。 ( 3)2 有限元計(jì)算在 Hyperworks 的 Load Collector 中創(chuàng)建非線性分析控制參數(shù) NLPAM， 各參數(shù)值按默認(rèn)設(shè)置 ( 圖 10) 。其中 NINC 為整個(gè)計(jì)算中每次計(jì)算的載荷增量 ， MAXITE 為整個(gè)計(jì)算中每次計(jì)算的極限迭代次數(shù) ， CONV 為計(jì)算的收斂判別準(zhǔn)則 ， EPSU、EPSP、EPSW 分別為計(jì)算中位移 ， 載荷 ， 工況的誤差精度 。在 loadsteps 中選擇 non linear quasi static 求解器進(jìn)行有限元求解 。2 1 風(fēng)載求解對(duì)于 GP C622， 經(jīng)分析 ， 當(dāng)風(fēng)載達(dá)到 Q235A 鋼管屈服極限 30651 MPa 時(shí) ， 單拱側(cè)向受力 3225 N。又拱頂點(diǎn)離地高度2 15 m， 拱間距 06 m， 整棟大棚平均到單拱上的側(cè)向受風(fēng)面積為 : 06 ×2 15 = 1 29 m2。故單拱所受風(fēng)壓為 : 322 5/129 =250 Pa。由公式 ( 1) 知 ， 風(fēng)速為 20 m/s， 對(duì)應(yīng)表 4 中 8 級(jí)風(fēng) 。對(duì)于 GP C825， 經(jīng)分析 ， 當(dāng)風(fēng)載達(dá)到 Q235A 鋼管屈服極限 306 51 MPa 時(shí) ， 單拱側(cè)向受力 324 8 N。又拱頂點(diǎn)離地高度 2 9 m， 拱間距 0 7 m， 整棟大棚平均到單拱上的側(cè)向受風(fēng)面積為 : 0 7 × 2 9 = 2 03 m2。所以單拱所受風(fēng)壓為 :324 8/2 03 =160 Pa。由公式 ( 1) 知 ， 風(fēng)速為 16 m/s， 對(duì)應(yīng)表4 中 7 級(jí)風(fēng) 。對(duì)于 GP C832， 經(jīng)分析 ， 當(dāng)風(fēng)載達(dá)到 Q235A 鋼管屈服極限 306 51 MPa 時(shí) ， 單拱側(cè)向受力 580 N。又拱頂點(diǎn)離地高度2 9 m， 拱間距 0 8 m， 整棟大棚平均到單拱上的側(cè)向受風(fēng)面積為 : 0 8 × 2 9 = 2 32 m2。故單拱所受風(fēng)壓為 : 580/2 32 =250 Pa。由公式 ( 1) 知 ， 風(fēng)速為 20 m/s， 對(duì)應(yīng)表 4 中 8 級(jí)風(fēng) 。2 2 雪載求解對(duì)于 GP C622， 經(jīng)分析 ， 當(dāng)雪載達(dá)到 Q235A 鋼管屈服極限 306 51 MPa 時(shí) ， 單拱垂直向下受力 619 34 N。又單拱覆雪寬度 5 58 m， 拱間距 0 6 m， 整棟大棚平均到單拱上的覆雪面積為 : 0 6 × 5 58 = 3 35 m2。故整棟大棚所受雪壓為 :781江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2018 年第 46 卷第 6 期619 34/3 35 =185 Pa。由公式 ( 3) 知 ， 積雪厚度為 18 9 cm。對(duì)于 GP C825， 經(jīng)分析 ， 當(dāng)雪載達(dá)到 Q235A 鋼管屈服極限 306 51 MPa 時(shí) ， 單拱垂直向下受力 735 1 N。又單拱覆雪寬度 7 5 m， 拱間距 0 7 m， 整棟大棚平均到單拱上的覆雪面積為 : 0 7 × 7 5 = 5 25 m2。整棟大棚所受雪壓為 :735 1/5 25 =140 Pa。由公式 ( 3) 知 ， 積雪厚度為 14 3 cm。對(duì)于 GP C832， 經(jīng)分析 ， 當(dāng)雪載達(dá)到 Q235A 鋼管屈服極限 306 51 MPa 時(shí) ， 單拱垂直向下受力 1 065 4 N。又單拱覆雪寬度 7 4 m， 拱間距 0 8 m， 整棟大棚平均到單拱上的覆雪面積為 : 0 8 × 7 4 = 5 92 m2。故整棟大棚所受雪壓為 :1 065 4/5 92 =180 Pa。由公式 ( 3) 知 ， 積雪厚度為 18 4 cm。2 3 應(yīng)力云圖GP C622， GP C825， GP C832 單拱在風(fēng)載和雪載工況下達(dá)到屈服極限時(shí)的應(yīng)力云圖如圖 11 所示 。3 結(jié)論本研究通過(guò)有限元分析方法 ， 對(duì)江浙地區(qū)的農(nóng)用塑料大棚鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)載和雪載工況下的強(qiáng)度分析 。計(jì)算出塑料大棚在有風(fēng)的和有雪的天氣中 ， 鋼架結(jié)構(gòu)所能承受的最大風(fēng)速和最大積雪厚度 ， 結(jié)果表明 : GP C622 和 GP C832 具有較好的抗載能力 ， 且抗風(fēng)雪能力相當(dāng) ， GP C825 性能較差 。參考文獻(xiàn) : 1 閆俊月 ， 周 磊 ， 周長(zhǎng)吉 ， 等 塑料大棚設(shè)計(jì)中基本風(fēng)壓取值方法 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) ， 2014， 30( 12) : 171 176 2 王殿友 我國(guó)塑料大棚的類型及特點(diǎn) J 農(nóng)業(yè)科技與裝備 ，2012( 8) : 49 52 3 劉志杰 ， 鄭文剛 ， 騰弘飛 ， 等 中國(guó)日光溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) J 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào) ， 2007， 23( 2) : 449 453 4 農(nóng)用單體鋼架大棚安全技術(shù)規(guī)范 : DB 33/T 8652012 S 5 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范 : GB 500092012 S 6 溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)載荷 : GB/T 186222002 S 7 張勝蘭 ， 鄭東黎 ， 郝 琪 ， 等 基于 HyperWorks 的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù) M 北京 : 機(jī)械工業(yè)出版社 ， 2007 8 Altair Engineering Inc Hyper works user's guide Z AltairEngineering Inc， 2014 9 歐賀國(guó) ， 方獻(xiàn)軍 ， 洪清泉 ， 等 ADIOSS 理論基礎(chǔ)與工程應(yīng)用 M 北京 : 機(jī)械工業(yè)出版社 ， 2013 10 俞永華 ， 王劍平 ， 應(yīng)義斌 塑料溫室拱結(jié)構(gòu)雪載工況下極限承載力的非線性有限元分析 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) ， 2007， 23( 3) : 158 162 11 閆國(guó)臣 ， 李先立 ， 李小荷 風(fēng)力等級(jí) 、風(fēng)速與風(fēng)壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系研究 J 門窗 ， 2014( 8) : 56 57881 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2018 年第 46 卷第 6 期