江浙區域農用塑料大棚鋼架風雪受力分析

雷嘵暉， 呂曉蘭， 陸岱鵬， 張美娜， 夏禮如

(江蘇省農業科學院農業設施與裝備研究所，江蘇南京 210014)

塑料大棚由于具有骨架材料少、建造成本低、氣候適應性好、種植效益相對較高的特點，近年來在我國得到了廣泛的應用[1-3]。農用塑料大棚在一年中經常會受到大風大雪的吹蝕，如果風力較大或者雪量較多，那么棚體的鋼架結構很可能承受不住風雪載荷，導致塑性變形或坍塌。塑料大棚鋼架的選型及設計往往依靠傳統經驗，而傳統的物理試驗又不容易精確地測量大棚鋼架的抗載能力，本研究針對江浙一帶常用的3種農用塑料大棚鋼架結構進行了風雪載荷的CAE非線性應力分析。大棚單拱結構與配置如表1所示[4-6]。

目前市場上各種CAE分析軟件層出不窮，各種軟件計算水平也是有高有低，CAE分析的結果很大程度上依賴于軟件的可靠性和分析人員的專業技能，因此選擇合適的CAE分析軟件同樣相當重要。Altair公司的HyperWorks是目前在世界范圍內十分流行而又專業可靠的CAE分析集成軟件，它不僅具有對現有機械零件強大的應力分析能力，而且還能夠對現有的零件進行驚人的優化分析。因此本研究采用HyperWorks軟件來完成塑料大棚鋼架抗風雪受力分析。

表1　大棚單拱結構與配置

注：螺旋樁、地拉桿、活動立柱等根據需要配置；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個單拱間添加1根帶橫梁的加強單拱。為簡化計算機運算周期，加快運算時間，本研究忽略若干橫梁對大棚鋼架強度的加強作用，對無橫梁單拱進行受力分析，3種大棚單拱的三維數字模型如圖1所示。

1.2　網格劃分

采用1階5 mm×5 mm四邊形殼網格quad4對3種型號單拱進行CAE網格劃分。GP-C622單元數25 284，節點數25 298；GP-C825單元數38 304，節點數38 320；GP-C832單元數48 600，節點數48 620。其中，1階四邊形(quad4)單元占總單元比例為100%，符合網格劃分要求[7-9]。單拱網格如圖2所示。

1.3　材料及屬性

3種型號單拱材料皆采用Q235A。材料基本參數值如表2所示。

Q235A應力應變曲線(σ-ε曲線)如圖3所示，應力應變曲線值如表3所示。

在Hyperworks的Load Collector中創建TABLES1，并將表3數據逐一輸入，x(*)為應變值，y(*)為應力值(單位：MPa)(圖4)。在Materials中創建MAT1，并加載非線性選項卡MATS1，相關屬性設置如圖5所示。E代表楊氏模量，G代表剪切模量，NU代表泊松比，RHO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則， 選擇默認類型1——vonMises屈服準則。HR為塑像變形中材料的硬化準則，選擇默認值1——各項同性硬化準則。LIMT1為屈服應力。TYPSTRN為應力應變曲線的輸入類型，與TID對應，默認選擇1。

表2　Q235A材料基本參數

表3　Q235A應力應變曲線值

1.4　約束與受力

對于約束，Hypermesh中網格節點的約束自由度有6個，如圖6所示，dof1～ dof 3分別表示x、y、z這3個方向上對節點位移的限制，dof 4～ dof 6分別表示x、y、z這3個方向上對節點旋轉的限制。

本研究對大棚單拱的約束采用SPC(Single Point Constraint)。根據《農用單體鋼架大棚安全技術規范》，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網格模型中針對埋入地下的網格節點進行x、y、z這3個方向上的自由度約束。

由圖7可見，兩單拱間地表上方風載面積a=拱間距×拱離地高度，側向風力F1=a×風壓。F1均分到單拱各受力節點，可得出各受力節點風力大小。

由圖8可見，兩單拱間覆雪區域面積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點，可得出各受力節點雪載力大小。

3種型號單拱受力均如圖9所示。粉紅色水平向左箭頭代表側向風載，藍色豎直向下箭頭代表雪載，大紅色三角代表固定約束。

對于風載，風速與風壓的關系，有如下關系式[10-11]：

(1)

式中：v為風速，單位m/s；ρ為空氣密度，取1.25 kg/m3；P為風壓，單位Pa。風壓與風力等級的關系如表4所示[6]。

對于雪載，雪壓與積雪厚度的關系，有如下關系式：

P=9.8×ρ×h(Pa)。

(2)

式中：P為雪壓，單位Pa；ρ為積雪密度，經測量雪密度為 100 kg/m3；h為積雪厚度，單位m。

取ρ=100 kg/m3，則：

表4　風壓與風力等級的關系

(3)

2　有限元計算

在Hyperworks的Load Collector中創建非線性分析控制參數NLPARM，各參數值按默認設置(圖10)。其中NINC為整個計算中每次計算的載荷增量，MAXITER為整個計算中每次計算的極限迭代次數，CONV為計算的收斂判別準則，EPSU、EPSP、EPSW分別為計算中位移，載荷，工況的誤差精度。

在loadsteps中選擇non-linear quasi-static求解器進行有限元求解。

2.1　風載求解

對于GP-C622，經分析，當風載達到Q235A鋼管屈服極限306.51 MPa時，單拱側向受力322.5 N。又拱頂點離地高度2.15 m，拱間距0.6 m，整棟大棚平均到單拱上的側向受風面積為：0.6×2.15=1.29 m2。故單拱所受風壓為：322.5/1.29=250 Pa。由公式(1)知，風速為20 m/s，對應表4中8級風。

對于GP-C825，經分析，當風載達到Q235A鋼管屈服極限306.51 MPa時，單拱側向受力324.8 N。又拱頂點離地高度2.9 m，拱間距0.7 m，整棟大棚平均到單拱上的側向受風面積為：0.7×2.9=2.03 m2。所以單拱所受風壓為：324.8/2.03=160 Pa。由公式(1)知，風速為16 m/s，對應表4中7級風。

對于GP-C832，經分析，當風載達到Q235A鋼管屈服極限306.51 MPa時，單拱側向受力580 N。又拱頂點離地高度2.9 m，拱間距0.8 m，整棟大棚平均到單拱上的側向受風面積為：0.8×2.9=2.32 m2。故單拱所受風壓為：580/2.32=250 Pa。由公式(1)知，風速為20 m/s，對應表4中8級風。

2.2　雪載求解

對于GP-C622，經分析，當雪載達到Q235A鋼管屈服極限306.51 MPa時，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：619.34/3.35=185 Pa。由公式(3)知，積雪厚度為18.9 cm。

對于GP-C825，經分析，當雪載達到Q235A鋼管屈服極限306.51 MPa時，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。

對于GP-C832，經分析，當雪載達到Q235A鋼管屈服極限306.51 MPa時，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　應力云圖

GP-C622，GP-C825，GP-C832單拱在風載和雪載工況下達到屈服極限時的應力云圖如圖11所示。

3　結論

本研究通過有限元分析方法，對江浙地區的農用塑料大棚鋼結構進行風載和雪載工況下的強度分析。計算出塑料大棚在有風的和有雪的天氣中，鋼架結構所能承受的最大風速和最大積雪厚度，結果表明：GP-C622和GP-C832具有較好的抗載能力，且抗風雪能力相當，GP-C825性能較差。

參考文獻：

[1]閆俊月，周磊，周長吉，等. 塑料大棚設計中基本風壓取值方法[J]. 農業工程學報，2014，30(12)：171-176.

根據圖1所示諧振式光學陀螺系統原理圖,采用引入設計的低通數字濾波器和普通FIR低通濾波器的鎖相放大器對解調輸出信號進行了對比測試。結果如圖9(a)、圖9(b)所示,其中圖9(a)為FIR濾波器濾波效果,此濾波器資源占用率為98%,圖9(b)為所設計的慣性低通數字濾波器濾波效果,N值設為25,即截止頻率為0.14 Hz,對比圖9(a)可知,經此慣性濾波器濾波后,鎖頻基準點高頻噪聲波動明顯降低,穩定性得到明顯提高。

[2]王殿友. 我國塑料大棚的類型及特點[J]. 農業科技與裝備，2012(8)：49-52.

[3]劉志杰，鄭文剛，騰弘飛，等. 中國日光溫室結構優化研究現狀及發展趨勢[J]. 中國農學通報，2007，23(2)：449-453.

[4]農用單體鋼架大棚安全技術規范：DB 33/T 865—2012[S].

[5]建筑結構荷載規范：GB 50009—2012[S].

[6]溫室結構設計載荷：GB/T 18622—2002[S].

[7]張勝蘭，鄭東黎，郝琪，等. 基于HyperWorks的結構優化設計技術[M]. 北京：機械工業出版社，2007.

[9]歐賀國，方獻軍，洪清泉，等. RADIOSS理論基礎與工程應用[M]. 北京：機械工業出版社，2013.

[10]俞永華，王劍平，應義斌. 塑料溫室拱結構雪載工況下極限承載力的非線性有限元分析[J]. 農業工程學報，2007，23(3)：158-162.

[11]閆國臣，李先立，李小荷. 風力等級、風速與風壓的對應關系研究[J]. 門窗，2014(8)：56-57.