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)

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

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1——vonMises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。

表2　Q235A材料基本参数

表3　Q235A应力应变曲线值

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 Point Constraint)。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]：

(1)

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

(3)

2　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：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：

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根据图1所示谐振式光学陀螺系统原理图,采用引入设计的低通数字滤波器和普通FIR低通滤波器的锁相放大器对解调输出信号进行了对比测试。结果如图9(a)、图9(b)所示,其中图9(a)为FIR滤波器滤波效果,此滤波器资源占用率为98%,图9(b)为所设计的惯性低通数字滤波器滤波效果,N值设为25,即截止频率为0.14 Hz,对比图9(a)可知,经此惯性滤波器滤波后,锁频基准点高频噪声波动明显降低,稳定性得到明显提高。

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