江浙区域农用塑料大棚钢架风雪受力分析

雷哓晖 ， 吕晓兰 ， 陆岱鹏 ， 等 ． 江浙区域农用塑料大棚钢架风雪受力分析 ［ J］ ． 江苏农业科学 ， 2018， 46 6 185 －188．doi 10．15889/j． issn．1002 －1302．2018．06．048江浙区域农用塑料大棚钢架风雪受力分析雷哓晖 ， 吕晓兰 ， 陆岱鹏 ， 张美娜 ， 夏礼如 江苏省农业科学院农业设施与装备研究所 ， 江苏南京 210014摘要 针对江浙地区普遍采用的 3 种农用塑料大棚 GP － C622、GP － C825、GP － C832， 应用有限元分析软件HyperWorks， 对其骨架结构进行了风载和雪载工况下的非线性应力分析 ， 为后续大棚钢架结构设计提供理论依据 。经分析 ， 在风载工况下 ， 3 种大棚可承受极限侧向风速依次为 20、16、20 m/s; 在雪载工况下 ， 3 种大棚可承受极限积雪厚度依次为 18．9、14．3、18．4 cm。关键词 农用塑料大棚 ; 非线性应力分析 ; 单拱 ; 风载 ; 雪载中图分类号 S625．1 文献标志码 A 文章编号 1002 －1302 2018 06 －0185 －04收稿日期 2016 －09 －02基金项目 江苏省农业科技自主创新资金 ［ 编号 CX 14 2112］ 。作者简介 雷哓晖 1988 ， 男 ， 河南焦作人 ， 硕士 ， 研究实习员 ， 主要从事农业机械研究 。Tel 025 84391123; E － mail leixiaohui． 2008163． com。通信作者 夏礼如 ， 硕士 ， 研究员 ， 主要从事设施农业 、农业设施与装备 、农业科技管理等研究 。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 、气候适应性好 、种植效益相对较高的特点 ， 近年来在我国得到了广泛的应用［ 1 －3］。农用塑料大棚在一年中经常会受到大风大雪的吹蚀 ， 如果风力较大或者雪量较多 ， 那么棚体的钢架结构很可能承受不住风雪载荷 ， 导致塑性变形或坍塌 。塑料大棚钢架的选型及设计往往依靠传统经验 ， 而传统的物理试验又不容易精确地测量大棚钢架的抗载能力 ， 本研究针对江浙一带常用的 3 种农用塑料大棚钢架结构进行了风雪载荷的 CAE 非线性应力分析 。大棚单拱结构与配置如表 1 所示［ 4 －6］。目前市场上各种 CAE 分析软件层出不穷 ， 各种软件计算水平也是有高有低 ， CAE 分析的结果很大程度上依赖于软件的可靠性和分析人员的专业技能 ， 因此选择合适的 CAE 分析软件同样相当重要 。Altair 公司的 HyperWorks 是目前在世界范围内十分流行而又专业可靠的 CAE 分析集成软件 ， 它不仅具有对现有机械零件强大的应力分析能力 ， 而且还能够对现有 的 零 件 进 行 惊 人 的 优 化 分 析 。因 此 本 研 究 采 用HyperWorks 软件来完成塑料大棚钢架抗风雪受力分析 。表 1 大棚单拱结构与配置大棚结构跨度 m顶高 m肩高 m通风部位拱管材料 mm直径 厚度拱间距 m纵拉杆 道 卡槽 道 下卡槽高度 m上卡槽高度 m加固斜撑 根 门卷膜杆及卷膜器 套 GP － C622 6 2．5 1．5 肩下部 22 1．2 0．6 3 2 ～4 如有 2 道卡槽高0． 5 ～ 0． 8， 否则高 0．8 ～1．01．5 4 摇门 0 ～2GP － C825 8 3．3 1．6 上肩部 25 1．5 0．65 3 4 0．5 ～0．8 1．6 4 摇门或移门 2GP － C832 8 3．3 1．8 上肩部 32 1．5 0．8 3 4 0．5 ～0．8 1．8 4 摇门或移门 2注 螺旋桩 、地拉杆 、活动立柱等根据需要配置 ; 纵拉杆钢管外径及壁厚等与拱杆 、斜撑相同 。1 有限元模型建立1． 1 三维建模3 种大棚都由若干单拱罗列而成 ， 4 ～5 个单拱间添加 1 根带横梁的加强单拱 。为简化计算机运算周期 ， 加快运算时间 ，本研究忽略若干横梁对大棚钢架强度的加强作用 ， 对无横梁单拱进行受力分析 ， 3 种大棚单拱的三维数字模型如图 1 所示 。1． 2 网格划分采用 1 阶 5 mm 5 mm 四边形壳网格 quad4 对 3 种型号单拱进行 CAE 网格划分 。GP － C622 单元数 25 284， 节点数25 298; GP － C825 单元数 38 304， 节点数 38 320; GP － C832单元数 48 600， 节点数 48 620。其中 ， 1 阶四边形 quad4 单元占总单元比例为 100， 符合网格划分要求［ 7 －9］。单拱网格如图 2 所示 。1． 3 材料及属性3 种型号单拱材料皆采用 Q235A。材料基本参数值如表2 所示 。Q235A 应力应变曲线 σ － ε 曲线 如图 3 所示 ， 应力应变曲线值如表 3 所示 。在 Hyperworks 的 Load Collector 中创建 TABLES1， 并将表3 数据逐一输入 ， x * 为应变值 ， y * 为应力值 单位 MPa 图 4 。在 Materials 中创建 MAT1， 并加载非线性选项卡 MATS1， 相关属性设置如图 5 所示 。E 代表杨氏模量 ， G 代表剪切模量 ， NU 代表泊松比 ， ＲHO 代表密度 。黄色 TID 下加载 TABLES1。类型 TYPE 选择 PLASTIC 塑性材料 。YF 为塑性变形中所选用的屈服准则 ， 选择默认类型 1von Mises581江苏农业科学 2018 年第 46 卷第 6 期表 2 Q235A 材料基本参数材料杨氏模量 MPa泊松比密度 kg/m3屈服强度 MPa抗拉强度 MPaQ235A 2．11 1050．3 7．9 103306．51 390表 3 Q235A 应力应变曲线值应力值 MPa 应变值306．51 0．0000402．56 0．057 3435．3 0．0850462．04 0．111 1486．72 0．137 4508．88 0．162 2531．05 0．187 3552．06 0．210 9573．28 0．234 7590．52 0．257 2屈服准则 。HＲ 为塑像变形中材料的硬化准则 ， 选择默认值1各项同性硬化准则 。LIMT1 为屈服应力 。TYPSTＲN 为应力应变曲线的输入类型 ， 与 TID 对应 ， 默认选择 1。1． 4 约束与受力对于约束 ， Hypermesh 中网格节点的约束自由度有 6 个 ，如图 6 所示 ， dof1 ～ dof 3 分别表示 x、y、z 这 3 个方向上对节点位移的限制 ， dof 4 ～ dof 6 分别表示 x、y、z 这 3 个方向上对节点旋转的限制 。本研究对大棚单拱的约束采用 SPC Single PointConstraint 。根据 农用单体钢架大棚安全技术规范 ， GP －C622 埋入地下高度为 35 cm， GP － C825 和 GP － C832 埋入地下高度为 40 cm。CAE 网格模型中针对埋入地下的网格节点进行 x、y、z 这 3 个方向上的自由度约束 。由图 7 可见 ， 两单拱间地表上方风载面积 a 拱间距 拱离地高度 ， 侧向风力 F1 a 风压 。F1均分到单拱各受力节点 ， 可得出各受力节点风力大小 。由图 8 可见 ， 两单拱间覆雪区域面积 b 拱间距 覆雪宽度 ， 雪载力 F2 b 雪压 。F2均分到单拱各受力节点 ， 可得出各受力节点雪载力大小 。3 种型号单拱受力均如图 9 所示 。粉红色水平向左箭头代表侧向风载 ， 蓝色竖直向下箭头代表雪载 ， 大红色三角代表固定约束 。对于风载 ， 风速与风压的关系 ， 有如下关系式［ 10 －11］v 2P槡ρ2P1．槡25 1． 6槡P。 1681 江苏农业科学 2018 年第 46 卷第 6 期式中 v 为风速 ， 单位 m/s; ρ 为空气密度 ， 取 1． 25 kg/m3; P 为风压 ， 单位 Pa。风压与风力等级的关系如表 4 所示［ 6］。对于雪载 ， 雪压与积雪厚度的关系 ， 有如下关系式 P 9． 8 ρ h Pa 。 2式中 P 为雪压 ， 单位 Pa; ρ 为积雪密度 ， 经测量雪密度为100 kg/m3; h 为积雪厚度 ， 单位 m。取 ρ 100 kg/m3， 则 表 4 风压与风力等级的关系风力级数 名称相当于空旷平地上标准高度 10 m 处的风速 m/s伯努利公式计算空旷平地上标准高度10 m 处的风压 kPa0 静风 0 ～0．2 0 ～0．000 0251 软风 0．3 ～1．5 0．000 056 3 ～0．001 4062 轻风 1．6 ～3．3 0．001 6 ～0．006 8063 微风 3．4 ～5．4 0．007 225 ～0．018 2254 和风 5．5 ～7．9 0．018 906 ～0．039 0065 清劲风 8．0 ～10．7 0．04 ～0．071 5566 强风 10．8 ～13．8 0．0729 ～0．119 0257 疾风 13．9 ～17．1 0．120 756 ～0．182 7568 大风 17．2 ～20．7 0．184 9 ～0．267 8069 烈风 20．8 ～24．4 0．270 4 ～0．372 110 狂风 24．5 ～28．4 0．375 156 ～0．504 111 暴风 28．5 ～32．6 0．507 656 ～0．664 22512 飓风 32．7 ～36．9 0．668 306 ～0．851 00613 － 37．0 ～41．4 0．855 625 ～1．071 22514 － 41．5 ～46．1 1．076 406 ～1．328 25615 － 46．2 ～50．9 1．334 025 ～1．619 25616 － 51．0 ～56．0 1．625 625 ～1．9617 － 56．1 ～61．2 1．967 006 ～2．340 9h P980。 32 有限元计算在 Hyperworks 的 Load Collector 中创建非线性分析控制参数 NLPAＲM， 各参数值按默认设置 图 10 。其中 NINC 为整个计算中每次计算的载荷增量 ， MAXITEＲ 为整个计算中每次计算的极限迭代次数 ， CONV 为计算的收敛判别准则 ， EPSU、EPSP、EPSW 分别为计算中位移 ， 载荷 ， 工况的误差精度 。在 loadsteps 中选择 non － linear quasi － static 求解器进行有限元求解 。2． 1 风载求解对于 GP －C622， 经分析 ， 当风载达到 Q235A 钢管屈服极限 306．51 MPa 时 ， 单拱侧向受力 322．5 N。又拱顶点离地高度2． 15 m， 拱间距 0．6 m， 整栋大棚平均到单拱上的侧向受风面积为 0．6 2． 15 1． 29 m2。故单拱所受风压为 322． 5/1．29 250 Pa。由公式 1 知 ， 风速为 20 m/s， 对应表 4 中 8 级风 。对于 GP － C825， 经分析 ， 当风载达到 Q235A 钢管屈服极限 306． 51 MPa 时 ， 单拱侧向受力 324． 8 N。又拱顶点离地高度 2． 9 m， 拱间距 0． 7 m， 整栋大棚平均到单拱上的侧向受风面积为 0． 7 2． 9 2． 03 m2。所以单拱所受风压为 324． 8/2． 03 160 Pa。由公式 1 知 ， 风速为 16 m/s， 对应表4 中 7 级风 。对于 GP － C832， 经分析 ， 当风载达到 Q235A 钢管屈服极限 306． 51 MPa 时 ， 单拱侧向受力 580 N。又拱顶点离地高度2． 9 m， 拱间距 0． 8 m， 整栋大棚平均到单拱上的侧向受风面积为 0． 8 2． 9 2． 32 m2。故单拱所受风压为 580/2． 32 250 Pa。由公式 1 知 ， 风速为 20 m/s， 对应表 4 中 8 级风 。2． 2 雪载求解对于 GP － C622， 经分析 ， 当雪载达到 Q235A 钢管屈服极限 306． 51 MPa 时 ， 单拱垂直向下受力 619． 34 N。又单拱覆雪宽度 5． 58 m， 拱间距 0． 6 m， 整栋大棚平均到单拱上的覆雪面积为 0． 6 5． 58 3． 35 m2。故整栋大棚所受雪压为 781江苏农业科学 2018 年第 46 卷第 6 期619． 34/3． 35 185 Pa。由公式 3 知 ， 积雪厚度为 18． 9 cm。对于 GP － C825， 经分析 ， 当雪载达到 Q235A 钢管屈服极限 306． 51 MPa 时 ， 单拱垂直向下受力 735． 1 N。又单拱覆雪宽度 7． 5 m， 拱间距 0． 7 m， 整栋大棚平均到单拱上的覆雪面积为 0． 7 7． 5 5． 25 m2。整栋大棚所受雪压为 735． 1/5． 25 140 Pa。由公式 3 知 ， 积雪厚度为 14． 3 cm。对于 GP － C832， 经分析 ， 当雪载达到 Q235A 钢管屈服极限 306． 51 MPa 时 ， 单拱垂直向下受力 1 065． 4 N。又单拱覆雪宽度 7． 4 m， 拱间距 0． 8 m， 整栋大棚平均到单拱上的覆雪面积为 0． 8 7． 4 5． 92 m2。故整栋大棚所受雪压为 1 065． 4/5． 92 180 Pa。由公式 3 知 ， 积雪厚度为 18． 4 cm。2． 3 应力云图GP － C622， GP － C825， GP － C832 单拱在风载和雪载工况下达到屈服极限时的应力云图如图 11 所示 。3 结论本研究通过有限元分析方法 ， 对江浙地区的农用塑料大棚钢结构进行风载和雪载工况下的强度分析 。计算出塑料大棚在有风的和有雪的天气中 ， 钢架结构所能承受的最大风速和最大积雪厚度 ， 结果表明 GP － C622 和 GP － C832 具有较好的抗载能力 ， 且抗风雪能力相当 ， GP － C825 性能较差 。参考文献 ［ 1］ 闫俊月 ， 周 磊 ， 周长吉 ， 等 ． 塑料大棚设计中基本风压取值方法［ J］ ． 农业工程学报 ， 2014， 30 12 171 －176．［ 2］ 王殿友 ． 我国塑料大棚的类型及特点 ［ J］ ． 农业科技与装备 ，2012 8 49 －52．［ 3］ 刘志杰 ， 郑文刚 ， 腾弘飞 ， 等 ． 中国日光温室结构优化研究现状及发展趋势 ［ J］ ． 中国农学通报 ， 2007， 23 2 449 －453．［ 4］ 农用单体钢架大棚安全技术规范 DB 33/T 8652012［ S］ ．［ 5］ 建筑结构荷载规范 GB 500092012［ S］ ．［ 6］ 温室结构设计载荷 GB/T 186222002［ S］ ．［ 7］ 张胜兰 ， 郑东黎 ， 郝 琪 ， 等 ． 基于 HyperWorks 的结构优化设计技术 ［ M］ ． 北京 机械工业出版社 ， 2007．［ 8］ Altair Engineering Inc． Hyper works users guide［ Z］ ． AltairEngineering Inc， 2014．［ 9］ 欧贺国 ， 方献军 ， 洪清泉 ， 等 ． ＲADIOSS 理论基础与工程应用［ M］ ． 北京 机械工业出版社 ， 2013．［ 10］ 俞永华 ， 王剑平 ， 应义斌 ． 塑料温室拱结构雪载工况下极限承载力的非线性有限元分析 ［ J］ ． 农业工程学报 ， 2007， 23 3 158 －162．［ 11］ 闫国臣 ， 李先立 ， 李小荷 ． 风力等级 、风速与风压的对应关系研究 ［ J］ ． 门窗 ， 2014 8 56 －57．881 江苏农业科学 2018 年第 46 卷第 6 期