參數(shù)化大棚模型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性檢測(cè)系統(tǒng)研究

（福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州350002）

目前，農(nóng)用大棚在結(jié)構(gòu)上具有很強(qiáng)的區(qū)域性及相似性，在同一區(qū)域內(nèi)，大棚結(jié)構(gòu)系列化程度較高。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者[1-5]已經(jīng)開(kāi)始對(duì)大棚結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。對(duì)大棚的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究有多種方法，如應(yīng)用材料力學(xué)原理、通過(guò)有限元算法或有限元軟件進(jìn)行計(jì)算與分析等。然而，由于沒(méi)有同時(shí)將大棚參數(shù)化的有限元模型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性檢測(cè)過(guò)程與通用的編程語(yǔ)言結(jié)合起來(lái)，使得各類分析法并不適用于大棚產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)與鑒定或生產(chǎn)與安裝工作人員對(duì)大棚產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)或驗(yàn)收。為此，本研究以整體的連棟型大棚參數(shù)化模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言與Visual Basic 6.0結(jié)合，開(kāi)發(fā)了一種適用性較強(qiáng)的人機(jī)交互式大棚結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性參數(shù)化仿真檢測(cè)系統(tǒng)。

1 大棚有限元模型參數(shù)化

參數(shù)化通常指的是參數(shù)化造型，是一種重要的幾何參數(shù)快速構(gòu)造和修改幾何模型的造型方法[6]。本研究以福建省農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定推廣總站推廣的SPG型和SPJ型大棚為研究對(duì)象，各系列大棚包括跨度8m和6m，又根據(jù)其使用的管材不同，分為Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ級(jí)，是具有相同結(jié)構(gòu)，而材料參數(shù)不同的系列化大棚，適合運(yùn)用參數(shù)化方法建模與分析。

考慮到大棚結(jié)構(gòu)主要以鋼管焊接結(jié)構(gòu)為主，系列化程度高，可對(duì)大棚中不影響穩(wěn)定性的附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，將大棚的跨度、高度、管材材料截面、材料物理屬性和荷載等作為參數(shù)，并結(jié)合APDL命令流，以建立與調(diào)用ANSYS宏文件的方式，得到參數(shù)化的大棚有限元模型如圖1所示。

模擬大棚的管材采用Beam188單元，薄膜采用Shell63單元，各單元均采用自適應(yīng)方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分。荷載方面，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[8-9]中所提供的數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算，而后施加到大棚模型上。故荷載標(biāo)準(zhǔn)值各個(gè)分量，也可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化。以SPG-8Ⅲ型大棚模型受雪荷載情況為例，結(jié)構(gòu)參數(shù)取值如表1所示，該型大棚跨度8m，高度3.5m，彈性模量2×1011，泊松比0.3，薄膜厚度0.0002m。

圖1 參數(shù)化的大棚有限元模型

2 檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

以Visual Basic6.0軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)基于Visual Basic與APDL命令結(jié)合的人機(jī)交互式農(nóng)用大棚模型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的技術(shù)路線如圖2所示。

表1 SPG-8Ⅲ級(jí)大棚材料參數(shù)

2.1 系統(tǒng)界面

系統(tǒng)主要包括用戶登錄界面、參數(shù)設(shè)置界面、載荷設(shè)置與求解界面以及結(jié)果顯示界面。用戶在登錄后進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面，如圖3所示，可選擇要分析的大棚類型、跨度及型號(hào)，再對(duì)該種大棚結(jié)構(gòu)的管材截面尺寸進(jìn)行設(shè)置。然后，進(jìn)入荷載設(shè)置界面，如圖4所示，設(shè)置所要分析的受載情況，調(diào)用ANSYS軟件進(jìn)行計(jì)算。最后，可進(jìn)入結(jié)果顯示界面，查看計(jì)算分析后的結(jié)果。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)路線

圖3 參數(shù)設(shè)置界面

圖4 荷載設(shè)置與求解界面

2.2 參數(shù)處理及調(diào)用

APDL命令中關(guān)于設(shè)置參數(shù)的代碼，通過(guò)Microsoft Access 7.0軟件建立ANSYS認(rèn)可的APDL代碼參數(shù)表，再通過(guò)VB代碼對(duì)表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的更新。即在參數(shù)設(shè)置界面下對(duì)各參數(shù)對(duì)應(yīng)的text控件的 “click”事件[10]利用以下語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)參數(shù)表中的參數(shù)值實(shí)時(shí)更新。

SQL＝"UPDATe＃＃SET value＝＇" ＆load.Text ＆"＇WHERE prmt＝＇load.＇"

在參數(shù)設(shè)置完成后，將參數(shù)表以文本的形式與APDL命令代碼中的其余代碼重新編輯成一個(gè)新的APDL代碼文件，供VB程序通過(guò)代碼直接調(diào)用ANSYS程序進(jìn)行后臺(tái)運(yùn)行計(jì)算。調(diào)用ANSYS的關(guān)鍵代碼如下：

其中，“dy”只是一個(gè)用來(lái)存放shell函數(shù)返回值的變量。

2.3 后處理結(jié)果

ANSYS軟件可以提供多種的后處理方式，可利用APDL命令得到各種方式的結(jié)果。在VB調(diào)用ANSYS程序后臺(tái)運(yùn)行完畢后，可以應(yīng)用VB進(jìn)行后處理。如對(duì)APDL命令生成位移分布云圖，在VB程序中在新建窗口中以加載方式顯示圖片，以各大系列Ⅲ級(jí)型大棚結(jié)果為例，結(jié)果顯示界面如圖5、圖6所示。

圖5 Ⅲ級(jí)大棚受雪荷載結(jié)果顯示界面

圖6 Ⅲ級(jí)大棚受風(fēng)荷載結(jié)果顯示界面

3 仿真結(jié)果分析

通過(guò)上述方法，可以得到大棚在受荷載后每個(gè)單元所發(fā)生的位移量，將得到的最大位移量值與允許位移量值比較，從而分析該大棚結(jié)構(gòu)是否失穩(wěn)，即不失穩(wěn)條件是：

式中，δmax為大棚結(jié)構(gòu)受荷載后得到的最大位移量值；[δ]為大棚結(jié)構(gòu)允許位移量值，為大棚跨度的1／200[11]，即：[δ]SPG8＝ [δ]SPJ8＝8／200＝0.04m；[δ]SPG6＝ [δ]SPJ6＝6／200＝0.03m。

也就是說(shuō)，跨度為8m的大棚，其允許位移量值為0.04m，而跨度為6m的大棚，其允許位移量值為0.03m，每個(gè)大棚的位移量值若超過(guò)相應(yīng)的允許位移量值，則將發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，甚至倒塌、損壞。表2為各系列大棚在受載后的仿真檢測(cè)結(jié)果。

表2 仿真檢測(cè)結(jié)果 m

設(shè)最大位移量與允許位移量比值為η，即：

則大棚模型受荷載后情況如表3所示。

表3 各系列大棚受雪荷載η最大值 %

4 結(jié)論

（1）由各位移值分布云圖可知，所建立的整體連棟型大棚模型與單拱整體大棚模型或連棟型非整體大棚模型受荷載后變形的位移分布情況相仿，均在大棚的中部并逐漸向周圍及兩端遞減；受風(fēng)荷載后的變形在迎風(fēng)面的1／4拱與中間拱交接處以及背風(fēng)面附近最大，大棚中間拱較小。而且，整體連棟型大棚模型受荷載后的最大位移量值大于其他類型的大棚模型。原因在于整體連棟型大棚同時(shí)考慮了薄膜受載變形、連棟型受荷載情況與骨架間等因素的相互作用而使得大棚骨架的位移增大。

（2）對(duì)于大棚模型受雪荷載情況，上述結(jié)果顯示，在對(duì)各系列大棚模型進(jìn)行受雪荷載時(shí)的穩(wěn)定性仿真檢測(cè)分析時(shí)，各大棚均未失穩(wěn)，檢測(cè)到的結(jié)果是Ⅰ級(jí)的最為穩(wěn)定，Ⅱ級(jí)次之，Ⅲ級(jí)的穩(wěn)定性較差。原因在于SPG型大棚中，Ⅲ級(jí)的大棚骨架管選用的是鍍鋅板材管，Ⅱ級(jí)選用的則是熱鍍鋅管，而Ⅰ級(jí)選用的是熱鍍鋅管且管的壁厚有所增大；SPJ型大棚中，Ⅲ級(jí)的大棚骨架為鍍鋅板材管，Ⅱ級(jí)的為增加壁厚的鍍鋅板材管，而Ⅰ級(jí)選用與Ⅲ級(jí)同樣壁厚的熱鍍鋅管。但是，在造價(jià)方面也同樣的Ⅰ級(jí)最大，Ⅲ級(jí)的最經(jīng)濟(jì)。同時(shí)，SPJ型抗雪荷載能力明顯高于SPG型，原因在于SPJ型大棚在結(jié)構(gòu)上優(yōu)于SPG型大棚，在同樣的高度下，其拱形弧度較低，又有立柱等輔助支撐，但在造價(jià)方面，SPG型較為經(jīng)濟(jì)。

（3）對(duì)于大棚模型受風(fēng)荷載情況，上述結(jié)果也顯示，在對(duì)各系列大棚模型進(jìn)行受風(fēng)荷載時(shí)的穩(wěn)定性仿真檢測(cè)分析時(shí)，各大棚均未失穩(wěn)，SPG、SPJ型大棚各級(jí)結(jié)果與其受雪荷載時(shí)相類似，均為Ⅰ級(jí)最為穩(wěn)定，Ⅱ級(jí)次之，Ⅲ級(jí)較差。同時(shí)，SPJ型同樣在抗風(fēng)荷載能力上高于SPG型。

（4）上述結(jié)果還說(shuō)明，SPG型與SPJ型大棚在抗風(fēng)荷載能力上要比抗雪荷載能力上弱些，在今后的生產(chǎn)與安全防范方面，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧嗉訌?qiáng)各大棚的抗風(fēng)能力。

（5）ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言能夠?qū)崿F(xiàn)整體連棟型大棚建模的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，可通過(guò)ANSYS經(jīng)典操作環(huán)境得到宏代碼，對(duì)利用Visual Basic 6.0對(duì)其宏代碼進(jìn)行參數(shù)數(shù)據(jù)編輯、更新，從而得到參數(shù)化的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性檢測(cè)系統(tǒng)。

（6）采用Visual Basic與APDL命令結(jié)合，開(kāi)發(fā)的人機(jī)互動(dòng)式大棚穩(wěn)定性檢測(cè)系統(tǒng)，并采用參數(shù)化建立模型，可修改大棚的結(jié)構(gòu)及荷載參數(shù)，對(duì)不同結(jié)構(gòu)、受不同荷載的大棚穩(wěn)定性進(jìn)行分析檢測(cè)。該系統(tǒng)操作人性化高、可操作性強(qiáng)，適用于專業(yè)與非專業(yè)大棚產(chǎn)品檢測(cè)與鑒定工作人員對(duì)大棚產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗(yàn)。

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