大中跨度门式刚架奶牛舍结构的优化设计研究★

张燕斌 吕忠义

(1.内蒙古农业大学职业技术学院，内蒙古 包头 014109；2.内蒙古农业大学农林工程设计研究院，内蒙古 呼和浩特 010020； 3.内蒙古雨润农林工程设计咨询有限公司，内蒙古 呼和浩特 010020)



大中跨度门式刚架奶牛舍结构的优化设计研究★

张燕斌1,3吕忠义2,3

(1.内蒙古农业大学职业技术学院，内蒙古 包头 014109；2.内蒙古农业大学农林工程设计研究院，内蒙古 呼和浩特 010020； 3.内蒙古雨润农林工程设计咨询有限公司，内蒙古 呼和浩特 010020)

结合跨度为27 m的封闭式门式刚架奶牛舍结构工程实例，以用钢量最少为目标函数，借助有限元分析软件ANSYS，对门式刚架进行了结构优化设计，优化后刚架减重效果明显，单榀用钢量节省20.68%，经济效益明显。

门式刚架，奶牛舍，优化设计，ANSYS

黑龙江、辽宁、内蒙古、北京、天津、河北、山西、河南、山东、上海、新疆、陕西和宁夏等13个省、自治区、直辖市是我国奶牛生产优势区域[1]。这些优势区域大部分地处北纬40°左右的世界公认优质奶源带，这里有凉爽的气候条件、丰富的饲草料资源、干净的水土环境、坚实的养殖基础，为奶牛养殖业发展提供了得天独厚的基础条件。但是，该区域奶牛平均年单产水平仍然偏低，如何为奶牛生产提供良好的生存生产环境是决定其单产水平高低的重要因素之一，而牛舍的建筑结构形式、通风保温效果及牛舍内部的各种设备等因素都决定着奶牛的生活福利及生产水平。为奶牛创造最适宜的生存生产福利条件，保证奶牛的健康快乐生长，有利于提高奶牛单产水平和奶质，有利于国人喝上优质的好牛奶。

大中跨度门式刚架奶牛舍是常见的封闭式奶牛舍结构形式之一，这类牛舍具有防寒保暖性能好、空间大、便于机械化作业、重量轻、安装方便、制作快捷、施工周期短、造价低等优点，因此广泛适用于北纬40°左右北方寒冷地区。北纬45°左右的地区，通过增加围护结构的内外保温措施以加强保温防寒效果，同时要进行良好的通风以防止舍内结露。

在封闭式门式刚架奶牛舍结构设计中，大部分设计者往往过于保守，使养殖设施投资增加，加大了养殖企业和养殖户的负担，造成了不必要的浪费，阻碍了我国奶牛养殖业的快速发展。本文将奶牛养殖与轻型门式刚架结构相结合，以用钢量最少为目标函数，使用ANSYS软件提供的APDL命令流进行有限元分析，建立分析模型并对具有广泛适用性的27 m跨度门式刚架结构奶牛舍进行优化设计研究。

1 基于ANSYS的优化设计过程

所谓基于ANSYS的优化设计，指的是一种设计方案在满足所有的设计要求和约束条件的前提下，以数学中的最优化理论为基础，以计算机为辅助工具，寻求如重量、体积、面积、造价等所需的支出结果最优。ANSYS在进行优化设计的过程中，通过迭代算法可产生无穷序列的设计方案，只要满足给定的约束条件和精度即可认为找到了最优的设计方案。

ANSYS的优化设计一般应用ANSYS软件中的APDL语言，通过设计变量初始化、参数化建立模型、施加载荷、分析计算求解、优化参数评价、结果后处理及输出优化结果等步骤对设计方案进行优化[2]。

鉴于上述理论基础，特提出基于ANSYS的门式刚架结构的优化分析过程如图1所示。

2 实例分析

2.1 问题的描述

某大型奶牛场单跨轻型门式刚架结构奶牛舍，跨度L=27 m，檐口高度H=6 m，柱距L0=6 m，双坡屋面，坡度i=0.1。钢材选用Q235普通碳素钢，C型钢檩条，主刚架的梁、柱采用变截面H型钢，单榀刚架沿垂直中轴线左右对称，变截面横梁分两段，梁柱节点处为刚接，柱与基础为铰接。如图2所示为奶牛舍剖面图，其荷载及设计参数为：恒载标准值0.45 kN/m2，雪荷载0.4 kN/m2，基本风压为0.55 kN/m2；地面粗糙度B类；建筑结构安全等级：三级；建筑耐火等级：三级；地基基础设计等级：丙级。

结构优化的最终目标是在满足允许应力和变形的条件下，寻找确定最优设计方案，使单榀门式刚架截面尺寸减小，以致整体结构用钢量最少和重量最轻，降低投资和造价，减少资金的不必要浪费。

2.2 ANSYS软件分析问题

ANSYS进行优化计算是一个不断迭代的过程。本例采用的优化方法为零阶方法，该方法是—个经常使用的优化设计方法，其优点是不易陷入局部极值点，可有效地处理大多数的工程优化问题[3]。零阶方法本质是通过最小二乘逼进，求取一个函数面来拟合解空间，然后再对该函数面求极值[4]。经过生成分析文件、构建优化控制文件并输出最优结果等步骤对问题进行分析并求解。图3是用ANSYS命令流建立的不同角度的奶牛舍单榀门式刚架有限元分析模型图。图4为单榀门式刚架结构体积(TVOL)的优化曲线。由图4可见，随着迭代次数在允许应力和变形范围域内的增加，单榀刚架体积逐渐趋于减小并收敛。

依据CECS 102∶2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[5]对刚架变形规定：刚架柱顶位移设计限值为：XDISmax=6.770 7×10-5m≤H/60=6/60=0.1 m；构件挠度限值为：YDISmax=1.198 3×10-2m

2.3 优化结果分析

本实例通过计算机辅助工具ANSYS计算优化后的单榀门式刚架结构(TVOL)体积减少，达到了优化目标，节省了钢材使用量，节约了国家资源，节省了投资，单榀门刚结构优化前后体积重量对照表详见表1。

表1 单榀门刚结构优化前后体积重量对照表

3 结语

我国奶牛优势区域基本布局在北方，该区域冬季气候寒冷，封闭式门刚结构奶牛舍是常用的建筑结构形式之一。本文从门刚结构奶牛舍优化设计着手，以有限元分析为理论基础，以成熟的ANSYS分析软件作为依托工具，对变截面刚架梁柱结构进行了建模、分析计算并优化，达到了主刚架结构尺寸减小、用钢量及投资减少的效果。对类似地区、类似结构形式的农业建筑工程的节约化、工厂化、装配化提供实践参考和依据。

[1] 全国奶牛优势区域布局规划(2008—2015年)[Z].

[2] 应鸿烈.一种基于ANSYS的结构优化设计方法研究[J].科技信息,2010(19)：447-448.

[3] 李芬花，马 慧，卢东海，等.ANSYS零阶方法和一阶方法的重力坝断面优化研究[J].水利水电技术,2014(1)：76-79.

[4] 韦尧兵，王春婷，剡昌峰.基于ANSYS的剪刃的优化设计[J].科学技术与工程,2006(22)：41-42.

[5] CECS 102∶2002，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S].

The structure optimal design of large and medium portal frame cows house★

Zhang Yanbin1,3Lv Zhongyi2,3

(1.VocationalandTechnicalCollegeofInnerMongoliaAgriculturalUniversity,Baotou014109,China; 2.AgriculturalandForestryEngineeringDesignandResearchInstituteofInnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010020,China； 3.InnerMongoliaYurunAgriculturalEngineeringConsultingCo.,Ltd,Hohhot010020,China)

Analysis and study being in progress to the span for 27 m cows house, this dissertation establishes mathematical model by regarding the least steel consumption as goal function, by finite element analysis software ANSYS. The portal frame is analysis according to the technical specification for steel structure and the model situation with the elasticity analysis method. After optimization the portal frame is reduced obviously to a weight of 20.68 percent and have noticeable economic effect.

portal frame, cows house, optimal design, ANSYS

1009-6825(2016)11-0026-03

2016-01-20

★:内蒙古自然科学基金资助(项目编号：2015MS0567)

张燕斌(1982- )，男，硕士，研究方向：建筑结构及建筑材料，讲师，工程师； 吕忠义(1971- )，男，高级工程师

TU318

A