基于ANSYS的溫室框架結(jié)構(gòu)分析

馬文鵬

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040）

近些年，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，北方地區(qū)溫室的應(yīng)用日益增加。用采光覆蓋材料作為全部或部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料，可以在寒冷季節(jié)滿足植物栽培和生長的建筑稱為溫室。溫室作物給北方農(nóng)民帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。大量農(nóng)民建造溫室缺乏對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的掌握及科學(xué)的理論指導(dǎo)，導(dǎo)致溫室在應(yīng)用中事故頻發(fā)。特別是東北地區(qū)冬季的大雪造成溫室的坍塌。除此，結(jié)構(gòu)的不合理也造成事故屢次發(fā)生，因此通過對溫室框架結(jié)構(gòu)的分析，為框架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

1 溫室框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計依據(jù)

（1）溫室的荷載。溫室荷載是溫室設(shè)計的基本依據(jù)，是保證結(jié)構(gòu)安全的首要因素。溫室的荷載主要取決于風(fēng)荷載和雪荷載。風(fēng)荷載取決于風(fēng)荷載體型系數(shù)、風(fēng)壓高度變化系數(shù)、基本風(fēng)壓。對于基本風(fēng)壓和風(fēng)壓高度變化系數(shù)，在荷載規(guī)范中有明確的規(guī)定；對于風(fēng)荷載體型系數(shù)的取值方法不適合溫室。對于雪荷載，分為基本雪壓和屋面積雪分布系數(shù)。《溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T18622-2002)中，確定30年一遇最大積雪量自重為基本雪壓，并給出坡屋面積雪分布系數(shù)μz的取值方法，其中給出的單跨拱形屋面系數(shù)與日光溫室結(jié)構(gòu)相似。

（2）溫室的采光屋面角、脊高、跨度和后屋面仰角。溫室的采光屋面角、脊高、跨度和后屋面仰角彼此相互制約，其中脊高和跨度彼此配合從而對光角與采光面的形狀產(chǎn)生了一定的影響。對于跨度已經(jīng)確定的條件下，采光面的高度直接取決于后屋面和采光面的比例。上述4個因素對溫室的操作空間及采光共同作用，產(chǎn)生影響。脊高一定，跨度過大，采光屋面角隨之降低，溫室難以獲得最佳采光效果，跨度過小,溫室有效利用面積減少。

2 基于ANSYS的日光型裝配式溫室的分析

（1）結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的確定。本文以日光型裝配式溫室為例進(jìn)行有限元分析，溫室為7.5m跨，具體尺寸說明如圖1所示。

圖1 跨度7.5m日光型裝配式溫室結(jié)構(gòu)尺寸

（2）模型的建立及網(wǎng)格的劃分。參照圖1所示的尺寸參數(shù)，在Pro/E5.0中建立模型，將模型保存為*.x_t文件。將該文件導(dǎo)入ANSYSWorkbench14.1中，對模型材料進(jìn)行定義，定義材料為結(jié)構(gòu)鋼，并對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

（3）模型的加載及分析。設(shè)相鄰兩框架間距為1m，參考雪的密度為0.1g/cm3，則作用在每根模型上的壓力為3500Pa。通過對模型的加載，得到模型的應(yīng)力、應(yīng)變及總變形量的效果圖，分別如圖3、4及5所示。通過對效果圖分析可知，模型的變形量出現(xiàn)在中間跨度較大的位置以及有急劇變形的位置，變形量較大。中間跨度較大的位置沒有足夠的支撐，彎度較大的位置是結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力集中造成的，因此溫室結(jié)構(gòu)鋼框架在使用中，應(yīng)避免鋼體的彎度過大，產(chǎn)生應(yīng)力集中。同時對于跨度較大的位置可以增加加強(qiáng)筋或者橫向固定梁等來解決這一問題。

圖2 模型網(wǎng)格劃分

圖3 模型應(yīng)力圖

圖4 模型應(yīng)變圖

圖5 模型總變形量圖

3 結(jié)語

通過對北方溫室框架結(jié)構(gòu)的分析，參考了溫室的荷載，即雪載和風(fēng)載以及溫室的采光屋面角、脊高、跨度和后屋面仰角，以7.5m跨的溫室框架為例，在Pro/5.0中建立了框架模型，并將該模型導(dǎo)入到ANSYSWorkbench14.1中。通過對模型的加載分析，得到了模型的應(yīng)力、應(yīng)變及總變形量效果圖。通過對圖的分析，得到了框架受載后的變形位置及效果，驗證了使用ANSYSWorkbench分析溫室框架力學(xué)特性的可行性，為框架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

[1]高偉，郭師虹.溫室結(jié)構(gòu)快速建模方法的研究[J].山西建筑，2007，3(36):360~361.

[2]宋明軍,趙鵬.西北X-GV 型大跨度日光溫室設(shè)計建造及實(shí)踐[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)-溫室園藝,2006，(7):1-18.