江浙區(qū)域農(nóng)用塑料大棚鋼架風雪受力分析

雷嘵暉 ， 呂曉蘭 ， 陸岱鵬 ， 等 江浙區(qū)域農(nóng)用塑料大棚鋼架風雪受力分析 J 江蘇農(nóng)業(yè)科學 ， 2018， 46( 6) : 185 188doi: 1015889/j issn1002 1302201806048江浙區(qū)域農(nóng)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(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)設施與裝備研究所 ， 江蘇南京 210014)摘要 : 針對江浙地區(qū)普遍采用的 3 種農(nóng)用塑料大棚 GP C622、GP C825、GP C832， 應用有限元分析軟件HyperWorks， 對其骨架結構進行了風載和雪載工況下的非線性應力分析 ， 為后續(xù)大棚鋼架結構設計提供理論依據(jù) 。經(jīng)分析 ， 在風載工況下 ， 3 種大棚可承受極限側向風速依次為 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。關鍵詞 : 農(nóng)用塑料大棚 ; 非線性應力分析 ; 單拱 ; 風載 ; 雪載中圖分類號 : S6251 文獻標志碼 : A 文章編號 : 1002 1302( 2018) 06 0185 04收稿日期 : 2016 09 02基金項目 : 江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金 編號 : CX( 14) 2112 。作者簡介 : 雷嘵暉 ( 1988) ， 男 ， 河南焦作人 ， 碩士 ， 研究實習員 ， 主要從事農(nóng)業(yè)機械研究 。Tel: ( 025) 84391123; E mail: leixiaohui 2008163 com。通信作者 : 夏禮如 ， 碩士 ， 研究員 ， 主要從事設施農(nóng)業(yè) 、農(nóng)業(yè)設施與裝備 、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(nóng)用塑料大棚在一年中經(jīng)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(tǒng)經(jīng)驗 ， 而傳統(tǒng)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(nóng)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(yè)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(nèi)十分流行而又專業(yè)可靠的 CAE 分析集成軟件 ， 它不僅具有對現(xiàn)有機械零件強大的應力分析能力 ， 而且還能夠對現(xiàn)有 的 零 件 進 行 驚 人 的 優(yōu) 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大棚結構跨度( m)頂高( m)肩高( m)通風部位拱管材料 ( 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(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 3 種型號單拱進行 CAE 網(wǎng)格劃分 。GP C622 單元數(shù) 25 284， 節(jié)點數(shù)25 298; GP C825 單元數(shù) 38 304， 節(jié)點數(shù) 38 320; GP C832單元數(shù) 48 600， 節(jié)點數(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 種型號單拱材料皆采用 Q235A。材料基本參數(shù)值如表2 所示 。Q235A 應力應變曲線 ( 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(chuàng)建 TABLES1， 并將表3 數(shù)據(jù)逐一輸入 ， x( * ) 為應變值 ， y( * ) 為應力值 ( 單位 :MPa) ( 圖 4) 。在 Materials 中創(chuàng)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 ， 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則 ， 選擇默認類型 1von Mises581江蘇農(nóng)業(yè)科學 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)屈服強度( MPa)抗拉強度( MPa)Q235A 211 ×10503 79 ×10330651 390表 3 Q235A 應力應變曲線值應力值 ( MPa) 應變值30651 0000040256 0057 34353 0085046204 0111 148672 0137 450888 0162 253105 0187 355206 0210 957328 0234 759052 0257 2屈服準則 。H 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 。TYPSTN 為應力應變曲線的輸入類型 ， 與 TID 對應 ， 默認選擇 1。1 4 約束與受力對于約束 ， Hypermesh 中網(wǎng)格節(jié)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(jié)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(jié)點旋轉的限制 。本研究對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)格模型中針對埋入地下的網(wǎng)格節(jié)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(jié)點 ， 可得出各受力節(jié)點風力大小 。由圖 8 可見 ， 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 ， 可得出各受力節(jié)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:v =2P槡=2P1槡25= 1 6槡P。 ( 1)681 江蘇農(nóng)業(yè)科學 2018 年第 46 卷第 6 期式中 : v 為風速 ， 單位 m/s; 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 × × h( Pa) 。 ( 2)式中 : P 為雪壓 ， 單位 Pa; 為積雪密度 ， 經(jīng)測量雪密度為100 kg/m3; h 為積雪厚度 ， 單位 m。取 =100 kg/m3， 則 :表 4 風壓與風力等級的關系風力級數(shù) 名稱相當于空曠平地上標準高度 10 m 處的風速( m/s)伯努利公式計算空曠平地上標準高度10 m 處的風壓 ( kPa)0 靜風 0 02 0 0000 0251 軟風 03 15 0000 056 3 0001 4062 輕風 16 33 0001 6 0006 8063 微風 34 54 0007 225 0018 2254 和風 55 79 0018 906 0039 0065 清勁風 80 107 004 0071 5566 強風 108 138 00729 0119 0257 疾風 139 171 0120 756 0182 7568 大風 172 207 0184 9 0267 8069 烈風 208 244 0270 4 0372 110 狂風 245 284 0375 156 0504 111 暴風 285 326 0507 656 0664 22512 颶風 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)值按默認設置 ( 圖 10) 。其中 NINC 為整個計算中每次計算的載荷增量 ， MAXITE 為整個計算中每次計算的極限迭代次數(shù) ， 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(jīng)分析 ， 當風載達到 Q235A 鋼管屈服極限 30651 MPa 時 ， 單拱側向受力 3225 N。又拱頂點離地高度2 15 m， 拱間距 06 m， 整棟大棚平均到單拱上的側向受風面積為 : 06 ×2 15 = 1 29 m2。故單拱所受風壓為 : 322 5/129 =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(jīng)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(jīng)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(jīng)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 :781江蘇農(nóng)業(yè)科學 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。對于 GP C825， 經(jīng)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(jīng)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(qū)的農(nóng)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(nóng)業(yè)工程學報 ， 2014， 30( 12) : 171 176 2 王殿友 我國塑料大棚的類型及特點 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 中國日光溫室結構優(yōu)化研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 J 中國農(nóng)學通報 ， 2007， 23( 2) : 449 453 4 農(nóng)用單體鋼架大棚安全技術規(guī)范 : DB 33/T 8652012 S 5 建筑結構荷載規(guī)范 : GB 500092012 S 6 溫室結構設計載荷 : GB/T 186222002 S 7 張勝蘭 ， 鄭東黎 ， 郝 琪 ， 等 基于 HyperWorks 的結構優(yōu)化設計技術 M 北京 : 機械工業(yè)出版社 ， 2007 8 Altair Engineering Inc Hyper works user's guide Z AltairEngineering Inc， 2014 9 歐賀國 ， 方獻軍 ， 洪清泉 ， 等 ADIOSS 理論基礎與工程應用 M 北京 : 機械工業(yè)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(nóng)業(yè)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 57881 江蘇農(nóng)業(yè)科學 2018 年第 46 卷第 6 期