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)

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

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(σ-ε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浚珿代表剪切模量，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(zhǔn)則， 選擇默認(rèn)類型1——vonMises屈服準(zhǔn)則。HR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。TYPSTRN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。

表2　Q235A材料基本參數(shù)

表3　Q235A應(yīng)力應(yīng)變曲線值

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 Point Constraint)。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，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，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]：

(1)

式中：v為風(fēng)速，單位m/s；ρ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×ρ×h(Pa)。

(2)

式中：P為雪壓，單位Pa；ρ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ρ=100 kg/m3，則：

表4　風(fēng)壓與風(fēng)力等級(jí)的關(guān)系

(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)NLPARM，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，MAXITER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306.51 MPa時(shí)，單拱側(cè)向受力322.5 N。又拱頂點(diǎn)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(cè)向受風(fēng)面積為：0.6×2.15=1.29 m2。故單拱所受風(fēng)壓為：322.5/1.29=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：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.

根據(jù)圖1所示諧振式光學(xué)陀螺系統(tǒng)原理圖,采用引入設(shè)計(jì)的低通數(shù)字濾波器和普通FIR低通濾波器的鎖相放大器對(duì)解調(diào)輸出信號(hào)進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。結(jié)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(shè)計(jì)的慣性低通數(shù)字濾波器濾波效果,N值設(shè)為25,即截止頻率為0.14 Hz,對(duì)比圖9(a)可知,經(jīng)此慣性濾波器濾波后,鎖頻基準(zhǔn)點(diǎn)高頻噪聲波動(dòng)明顯降低,穩(wěn)定性得到明顯提高。

[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 865—2012[S].

[5]建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2012[S].

[6]溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)載荷：GB/T 18622—2002[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.

[9]歐賀國(guó)，方獻(xiàn)軍，洪清泉，等. RADIOSS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)：56-57.