滑蓋式節(jié)能日光溫室結(jié)構(gòu)靜力分析及優(yōu)化

劉艷華，王曉倩，王 聰，張 峰

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，沈陽 110161）

節(jié)能日光溫室是我國北方常用的溫室類型，主要捕獲和積聚白天的太陽能，并在夜間均勻釋放熱量[1-2]。日光溫室不但使作物的生長季節(jié)得到了有效的延長[3]，而且解決了北方冬季蔬菜供應(yīng)短缺的問題，也為農(nóng)民增收提供了有效途徑[4]。然而自然災(zāi)害對溫室結(jié)構(gòu)造成的破壞，使得經(jīng)濟損失極為嚴(yán)重。

滑蓋式節(jié)能日光溫室采用裝配式結(jié)構(gòu)，有效提高了日光溫室的建造速度、土地利用率、蓄熱保溫能力等[5]，促進了我國日光溫室現(xiàn)代化發(fā)展，獲得良好的推廣應(yīng)用[6]。該溫室骨架采用半弧形提高了穩(wěn)定性，建造形式的改變也加強了抗風(fēng)、雪的承載能力，解決了傳統(tǒng)日光溫室的缺點。但是其結(jié)構(gòu)形式的改變，現(xiàn)仍缺乏對滑蓋式節(jié)能日光溫室結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的分析研究。

為提高溫室的經(jīng)濟效益，國內(nèi)外專家學(xué)者對日光溫室的力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)優(yōu)化進行了大量的研究[7-10]。王聰?shù)萚11]對雪荷載作用下幾字型鋼日光溫室的鋼截面進行優(yōu)化分析；齊飛等[12-13]對不同跨度溫室的桿件位置對溫室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響進行分析；丁敏等[14-18]通過ANSYS 有限元軟件對不同荷載工況下的溫室進行模擬，對傳統(tǒng)日光溫室的承載能力和結(jié)構(gòu)進行分析與優(yōu)化。目前對滑蓋式節(jié)能日光溫室主要側(cè)重于溫光性能方面的研究，TONG等[5-6]用遼沈Ⅲ型溫室與滑蓋式節(jié)能日光溫室進行對照試驗，對滑蓋式節(jié)能日光溫室溫光性能進行研究。僅有王文武等[19]通過現(xiàn)場加載試驗對滑蓋式節(jié)能溫室結(jié)構(gòu)進行了力學(xué)分析，現(xiàn)依舊缺少對滑蓋式節(jié)能日光溫室整體穩(wěn)定性，及骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的研究。

本研究以滑蓋式節(jié)能日光溫室為研究對象，用ANSYS有限元分析軟件模擬滑蓋處于開、合狀態(tài)時在風(fēng)、雪荷載作用下結(jié)構(gòu)的變形情況，分析滑蓋式節(jié)能日光溫室的力學(xué)性能，采用零階優(yōu)化的方法對溫室骨架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以此得到最優(yōu)解，從而達到提高經(jīng)濟效益的目的。

1 有限元模型及荷載組合

1.1 有限元模型

1.1.1 溫室結(jié)構(gòu)參數(shù) 本研究參考沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)科研基地的滑蓋式節(jié)能日光溫室（圖1），該溫室采用半圓形的彩鋼板滑動覆蓋，溫室總長60 m，跨度12 m，脊高4.6 m，屋面采光角41.5°，鋼材選用Q235，前屋面選用0.1 mm厚的聚酯膜（PET）為透明覆蓋材料。該溫室屋面呈半圓結(jié)構(gòu)，每榀骨架間隔2 m，共31榀骨架，依照農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[20]對骨架截面尺寸進行選取。每榀骨架之間由7根直徑152 mm、壁厚3 mm的鍍鋅鋼管作為橫向系桿連接，單榀骨架屋頂處橫向支撐與上弦桿選用直徑140 mm、壁厚2.5 mm的鍍鋅鋼管，屋頂處豎向支撐與下弦桿選用直徑140 mm、壁厚3 mm的鍍鋅鋼管，每間隔4榀桁架設(shè)直徑140 mm、壁厚3.5 mm的鍍鋅鋼管作為斜支撐，腹桿選用直徑12 mm的螺紋鋼筋。

圖1 滑蓋式節(jié)能日光溫室示意圖Figure 1 Schematic diagrams of sliding cover solar greenhouse

1.1.2 單元類型的定義 有限元建模時，選取Beam188 和Shell181 單元來分別模擬滑蓋式節(jié)能日光溫室的骨架部分和滑蓋部分。Beam188單元適用于分析細(xì)長和中等粗短的梁結(jié)構(gòu)，該單元基于Timoshenko梁理論，考慮了剪切變形的影響，也適合線性、非線性以及大角度轉(zhuǎn)動大應(yīng)變問題。Shell181是一個4節(jié)點單元，每個節(jié)點有6個自由度（X、Y和Z方向的平移，以及圍繞X、Y和Z軸的旋轉(zhuǎn)）是一種適用于分析薄到中等厚的殼結(jié)構(gòu)。

1.1.3 有限元模型的建立 建模過程中，因Beam188單元與Shell181單元自由度各不相同，為保證力和彎矩的正常傳遞，本研究采用耦合自由度的方法對滑蓋式節(jié)能日光溫室的桁架與滑蓋兩個不同單元之間各節(jié)點進行連接。日光溫室骨架由焊接連接組成，桁架通過預(yù)埋件固定在基礎(chǔ)上，建模過程中將其底部節(jié)點視為剛接。為了考慮整體空間效應(yīng)，其有限元模型建立的滑蓋式節(jié)能日光溫室5榀桁架模型圖如圖2。

圖2 滑蓋式節(jié)能日光溫室5榀桁架模型圖Figure 2 Sliding cover solar greenhouse model drawing of 5 trusses

1.2 荷載計算和組合方法

日光溫室荷載主要包括永久荷載和可變荷載，其中永久荷載為結(jié)構(gòu)自重和安裝在結(jié)構(gòu)構(gòu)件或圍護構(gòu)件上的固定設(shè)備自重等，可變荷載包括作物荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、屋面活荷載、安裝在結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的移動設(shè)備荷載、溫度作用和地震作用等[21]。

1.2.1 永久荷載 滑蓋式節(jié)能日光溫室的覆蓋材料選取0.15 mm 的聚乙烯膜（PE），因其自重產(chǎn)生的荷載小于1.5 N·m-2，故忽略不計。依據(jù)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[21]，溫室內(nèi)固定設(shè)備荷載尚未確定時，豎向均布荷載按700 N·m-2計算。

1.2.2 可變荷載

（1）風(fēng)荷載。結(jié)合溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，可知風(fēng)荷載的計算公式為：

式中：ωk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN·m-2）；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；ω0為基本風(fēng)壓（kN·m-2）；風(fēng)荷載體型系數(shù)與屋面形狀有直接關(guān)系。滑蓋式節(jié)能日光溫室的風(fēng)荷載體形系數(shù)按圖3 數(shù)值計算。溫室所在地屬B 類地區(qū)，溫室離地高度4.6 m，則風(fēng)壓高度變化系數(shù)取值為μz=0.79?；撅L(fēng)壓應(yīng)按照規(guī)范取值為ω0=0.55 kN·m-2。

圖3 滑蓋式節(jié)能日光溫室風(fēng)荷載體形系數(shù)Figure 3 Wind load type coefficients of sliding cover solar greenhouse

（2）雪荷載。雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值按荷載規(guī)范計算：

式中：sk為雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN·m-2）；μr為屋面積雪與分布系數(shù)；ct為加熱影響系數(shù)；s0為基本雪壓（kN·m-2）；屋面積雪分布系數(shù)與屋面形狀有關(guān)，其雪荷載體型系數(shù)見圖4。飄雪影響造成的非均勻雪荷載取值μr,m=2.0、均勻分布雪載取值μr=0.4。溫室覆蓋材料為單層塑料膜，不加溫溫室，按規(guī)范選取加熱影響系數(shù)ct=1.0，基本雪壓s0=0.38 kN·m-2。

圖4 滑蓋式節(jié)能日光溫室雪荷載體形系數(shù)Figure 4 Distribution coefficients of snow load for the greenhouse

（3）作物荷載。作物荷載應(yīng)包括吊掛在溫室結(jié)構(gòu)上的作物、栽培容器及容器內(nèi)基質(zhì)等的重量。由圖5 可知，所種植物為番茄，該溫室種植茄果類、西甜瓜類作物的單位面積荷載Ck=0.15 kN·m-2。

圖5 溫室作物Figure 5 Greenhouse crops

（4）施工活荷載。屋面構(gòu)件計算時，施工檢修集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值可1.0 kN，且作用在結(jié)構(gòu)最不利位置上[21]。日光溫室中的屋面活荷載主要是操作前屋面保溫被的操作人員的重量，因此按照規(guī)范取人工荷載Lk=1.0 kN。

1.2.3 荷載組合方法 結(jié)合GBT51183-2016，荷載基本組合的效應(yīng)設(shè)計值Sd計算公式為：

式中：γG為永久荷載分項系數(shù)（kN·m-2）；γQi為第i個可變荷載分項系數(shù)，其中γQ1為主導(dǎo)可變荷載的分項系數(shù)；SGk為永久荷載標(biāo)準(zhǔn)計算值的荷載效應(yīng)值（kN·m-2）；SQik為按第i個可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算的荷載效應(yīng)值（kN·m-2）；ψci為第i個可變荷載的組合系數(shù)；n為參與組合的可變荷載。荷載組合分析時，為探究每一種荷載類型對結(jié)構(gòu)變形的敏感情況，選取4 種荷載工況。工況1、工況2和工況3分別為反考慮均布雪載作用、非均布雪載作用和風(fēng)載作用對滑蓋關(guān)閉狀態(tài)下節(jié)能日光溫室結(jié)構(gòu)變形的影響。工況4 是僅施加風(fēng)荷載對滑蓋打開狀態(tài)下節(jié)能日光溫室結(jié)構(gòu)變形的影響。4 種荷載工況中屋頂?shù)淖魑锖奢d、雪荷載和施工荷載的系數(shù)均為1.2，而永久荷載和風(fēng)荷載的系數(shù)為1.0，對于參與荷載組合的可變荷載組合的荷載組合系數(shù)均取0.7，而對于不參與荷載組合的永久荷載和主要可變荷載（風(fēng)、雪荷載）的組合系數(shù)取1.0[16]。其荷載工況匯總?cè)绫?。

表1 荷載組合系數(shù)及分項系數(shù)Table 1 Load combination coefficient and component coefficient

2 結(jié)果與分析

2.1 有限元模型的驗證

滑蓋式節(jié)能日光溫室較傳統(tǒng)日光溫室建模而言，主要區(qū)別就是需完成Shell181 與Beam188 單元的耦合。傳統(tǒng)日光溫室其結(jié)構(gòu)在有限元分析過程中，荷載直接作用在梁單元上，且傳統(tǒng)日光溫室在結(jié)構(gòu)分析的有限元建模僅由Beam188單元完成溫室模型的建立。因此，本研究的模型驗證，主要是對殼梁單元耦合模型施加荷載的驗證。

結(jié)合王文武等[19]對滑蓋式節(jié)能日光溫室鋼桁架進行對稱加磚模擬均布荷載的現(xiàn)場試驗，通過非電量電測技術(shù)得到桁架的應(yīng)力應(yīng)變值。本研究選用ANSYS有限元分析軟件，對本研究的滑蓋式節(jié)能日光溫室進行有限元模型的驗證。以焊接點作為關(guān)鍵點創(chuàng)建溫室模型；為考慮整體空間效應(yīng)，共建立3 榀桁架進行模擬，并對其底端進行固定，施加相應(yīng)大小的荷載；滑蓋與桁架之間通過耦合自由度的方法完成Beam188和Shell181不同單元之間的連接。對中ab段桿件進行靜力學(xué)分析，將ab段桿件的模擬值與試驗值進行比較驗證（圖6）。

圖6 試驗?zāi)Ｐ蛦伍旒芎唸DFigure 6 Schematic diagram of a single truss for the test model

由圖7可知，因現(xiàn)場試驗過程中，僅對一榀桁架進行加載試驗，未考慮相鄰桁架的作用；且在進行現(xiàn)場試驗之前，該試驗溫室已經(jīng)使用運行兩年時間，在使用過程中發(fā)生了一定變形，所以現(xiàn)場測試試驗結(jié)果是在結(jié)構(gòu)已經(jīng)變形基礎(chǔ)上，加磚模擬荷載的變形結(jié)果。而采用有限元模擬過程中，既考慮了相鄰桁架間的作用，又考慮了在施加荷載是溫室桁架處于未變形狀態(tài)下，因此造成模擬與試驗結(jié)果產(chǎn)生了誤差。模擬結(jié)果與測試結(jié)果之間最大的相對誤差在6%以內(nèi)，其誤差均小于10%，證明該有限元模型可以使用。

圖7 應(yīng)力值比較Figure 7 Comparison of stress values

2.1.1 靜力學(xué)分析 本研究對4 種荷載工況下的溫室模型進行應(yīng)力和變形分析，以確定出最不利荷載組合，并對結(jié)構(gòu)在最不利荷載組合下進行穩(wěn)定性分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

（1）應(yīng)力分析?；w式節(jié)能日光溫室通過等效應(yīng)力Von Mises stress 來描述其應(yīng)力狀態(tài)，不同荷載工況下的應(yīng)力分析如表2。其中滑蓋關(guān)閉狀態(tài)下3 種不同工況下各桿件的等效應(yīng)力布曲線如圖8，不同荷載工況下的最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)在北墻固定端位置。溫室兩端剛接固定于混凝土，因此兩端應(yīng)力較大。前屋面角大于60°時，依據(jù)規(guī)范[21]，無雪荷載作用，所以工況1和工況2在屋頂部分的變化有較為明顯的上升趨勢，且溫室頂部位置設(shè)有支撐桿件，增強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。工況3 因風(fēng)對溫室頂部和北墻部分產(chǎn)生方向相反的吸力，屋頂及北墻處工況3 作用下產(chǎn)生的應(yīng)力最小，前屋面處應(yīng)力值均大于其他位置，前屋面工況1 作用下的上弦桿件等效應(yīng)力為131 MPa、工況3 作用下前屋面上弦桿件的等效應(yīng)力為95.9 MPa、其上弦桿最大等效應(yīng)力為工況2作用下前屋面的應(yīng)力值142 MPa。（2）變形分析。根據(jù)《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[20]，大跨度鋼結(jié)構(gòu)的位移變形應(yīng)低于溫室跨度的1/250，滑蓋式節(jié)能日光溫室即48 mm（12000/250），不同工況發(fā)生的位移變形如表3，皆滿足位移設(shè)計要求?；w關(guān)閉狀態(tài)下，風(fēng)、雪荷載作用后，其最大位移均發(fā)生在同一位置，即第4 榀和第5 榀骨架之間的第3 個斜支撐上。由表3可知，滑蓋關(guān)閉狀態(tài)下施加非均勻雪荷載后的總位移值最大值為2.07 mm＜48 mm?；w打開狀態(tài)下，因前屋面直接受到風(fēng)荷載的作用，所以其位移變形也主要發(fā)生在前屋面，導(dǎo)致橫向和縱向位移較大，且最大總位移發(fā)生在肩部位置的斜支撐上，其值為4.03 mm＜48 mm，同樣滿足位移設(shè)置的要求。

表2 荷載工況下實體單元應(yīng)力最大值Table 2 Stress of solid element under different load conditions

圖8 滑蓋關(guān)閉時各工況下桿件的等效應(yīng)力分布曲線Figure 8 Equivalent stress distribution curve

由表2和表3可得到，4種荷載組合工況下的最大位移為4.04 mm，最大等效應(yīng)力為203 MPa，綜上可知最不利荷載組合為滑蓋打開狀態(tài)時施加風(fēng)荷載（即荷載組合工況4）。

表3 荷載工況下實體單元位移最大值Table 3 Displacement of solid element under different load conditions

2.1.2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析 滑蓋式日光溫室的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析，主要進行特征值屈曲分析，研究桿件的屈曲破壞。屈曲特征值可正可負(fù)，在ANSYS 有限元分析軟件中有LANB 和SUBSP 兩種計算方法。本研究采用LANB進行6次迭代，對滑蓋關(guān)閉狀態(tài)下最不利荷載和滑蓋打開狀態(tài)下進行的屈曲分析，其各階模態(tài)系數(shù)如表4。表4中的數(shù)據(jù)均大于1，說明所施加的荷載均未超過屈曲荷載限值，該結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

表4 滑蓋不同位置下特征值屈曲模態(tài)系數(shù)Table 4 Eigenvalue buckling modal coefficients at different positions of slide cover

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

結(jié)構(gòu)優(yōu)化是結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟性的統(tǒng)一，常見的優(yōu)化形式主要分為兩種形式：一種是用有限元迭代優(yōu)化，獲取復(fù)合材料應(yīng)力比和穩(wěn)定性的構(gòu)件最小截面尺寸；另一種則是對構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的形狀進行優(yōu)化。采用ANSYS有限元分析軟件中零階優(yōu)化的方法對滑蓋式節(jié)能日光溫室進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，獲取桿件所在最優(yōu)位置[16]。優(yōu)化前先是通過特征值屈曲分析的方法對滑蓋式節(jié)能日光溫室的穩(wěn)定性進行分析，并根據(jù)得出的穩(wěn)定性控制系數(shù)進行變化范圍的選取與確定。

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)的建立 將溫室質(zhì)量最小作為目標(biāo)函數(shù)，桁架的總用鋼量為：

式中：m為桁架總用鋼量；ρ為桁架的剛材密度；Ai為第i根桿件的截面面積；li為第i根桿件的長度。

則目標(biāo)函數(shù)f(x)計算公式為：

以最大位移、等效應(yīng)力和特征值屈曲系數(shù)作為狀態(tài)變量，把桁架的橫截面積和滑蓋的厚度作為設(shè)計變量，進行有限元模型的穩(wěn)定性分析?；w式節(jié)能日光溫室優(yōu)化設(shè)計的一般數(shù)學(xué)模型為：

式中：D1為滑蓋厚度；D2為上弦桿截面外圓半徑；D3為下弦桿截面外圓半徑；D4為斜支撐截面外圓半徑；D5為鋼筋的截面尺寸；D6為系桿截面外圓半徑；Smax為等效應(yīng)力；Umax為最大位移；Freq1為穩(wěn)定控制系數(shù)?；w式節(jié)能日光溫室桁架選用的是Q235 的鋼，鋼材密度為7850 kg·m-3。文中將總用鋼量質(zhì)量最輕作為目標(biāo)函數(shù)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2.2.2 優(yōu)化過程 ANSYS有限元軟件的優(yōu)化步驟主要是：（1）用*CREAT命令完成分析文件的生成；（2）用/OPT命令進入優(yōu)化模塊對分析文件進行指定；（3）根據(jù)上述范圍對設(shè)計變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)進行指定；（4）選用零階優(yōu)化作為優(yōu)化方法；（5）設(shè)置優(yōu)化迭代次數(shù)，本研究設(shè)置允許迭代50 次，收斂精度為0.01 的非可行域內(nèi)迭代20 次；（6）選用OPLIST 命令對優(yōu)化迭代列表。優(yōu)化計算可知，共迭代29 次后優(yōu)化迭代完成，最優(yōu)解為第24次迭代結(jié)果，優(yōu)化前后各參數(shù)如表5。

由表5可知，優(yōu)化后的目標(biāo)函數(shù)減小，其等效應(yīng)力和最大位移較優(yōu)化前均有所提高，骨架利用更加充分，優(yōu)化后的總用鋼量較優(yōu)化前降低1.63%，優(yōu)化結(jié)果不顯著。優(yōu)化前后最大等效應(yīng)力所在位置均在北墻固定端，其最大位移位置由屋頂處第10根系桿變?yōu)榍拔菝娌糠值牡?根系桿處，提高了溫室穩(wěn)定性。因滑蓋式節(jié)能日光溫室桁架間隔以及位置選取，已是結(jié)合我國對傳統(tǒng)日光溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化基礎(chǔ)上進行。但滑蓋式節(jié)能日光溫室不同于傳統(tǒng)溫室的建造形式，僅有王文武等[11]通過現(xiàn)場加載試驗，對溫室結(jié)構(gòu)的研究。本研究通過有限元分析軟件，用耦合的方法使滑蓋與桁架之間完成力學(xué)傳遞，并對溫室整體穩(wěn)定性進行分析，對骨架截面尺寸進行優(yōu)化。

表5 優(yōu)化前后參數(shù)對照Table 5 Comparison of parameters before and after optimization

2.2.3 優(yōu)化結(jié)果分析 目標(biāo)函數(shù)的迭代曲線圖如圖9，梁單元截面的迭代曲線如圖10。由圖9 和圖10 可知，所以參數(shù)均在25次迭代后趨于收斂，系桿是起到提高各榀桁架間穩(wěn)定性的作用，因此上、下弦在優(yōu)化過程中其桿件逐漸減小，系桿截面尺寸也隨之改變。結(jié)構(gòu)在符合安全范圍的前提下，通過更充分地利用桿件使結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化。

圖9 目標(biāo)函數(shù)迭代曲線Figure 9 Objective function iteration curve

圖10 梁單元截面尺寸迭代曲線Figure 10 Beam element section size iteration curve

現(xiàn)對優(yōu)化后的各截面應(yīng)力、最大位移等參數(shù)進行分析，其分析結(jié)果如表6。優(yōu)化后的最大位移7.87 mm＜48 mm(12000/250)，優(yōu)化后實體等效應(yīng)力228 MPa＜235 MPa，其位移、軸向應(yīng)力值均滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。

表6 優(yōu)化后結(jié)果分析Table 6 Analysis table of optimized results

綜上可知，滑蓋式節(jié)能日光溫室優(yōu)化后其等效應(yīng)力增加42.6%，桿件較優(yōu)化前得到了更加充分的利用，且優(yōu)化后總用鋼量減少，達到了減低材耗提高經(jīng)濟效益的目的。

2.2.4 結(jié)構(gòu)參數(shù)影響 分析優(yōu)化后各個桿件的截面尺寸，發(fā)現(xiàn)上弦桿的變化最大。通過對上弦桿截面尺寸與應(yīng)力進行分析，獲得上弦桿長細(xì)比與等效應(yīng)力變化曲線如圖11。由此可得上弦桿長細(xì)比與等效應(yīng)力表達式為y=8.9x+175.5，長細(xì)比越大等效應(yīng)力越大。

圖11 上弦桿長細(xì)比與等效應(yīng)力迭代變化曲線Figure 11 Iterative curve of upper chord slenderness ratio and equivalent stress

溫室下弦桿件與等效應(yīng)力關(guān)系曲線如圖12。由圖12 可知，下弦桿長細(xì)比與等效應(yīng)力的關(guān)系表達式為y=5.1x+205.7。

圖12 下弦桿長細(xì)比與等效應(yīng)力迭代變化曲線Figure 12 Iteration curve of slenderness ratio and equivalent stress of lower chord

3 討論與結(jié)論

本研究對滑蓋式節(jié)能日光溫室進行力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后用鋼量降低，有效提高了經(jīng)濟效益。力學(xué)分析結(jié)果表明，該溫室結(jié)構(gòu)對非均勻雪載更為敏感，該結(jié)果同REN 等[7]對20 m 塑料溫室分析所得結(jié)果一致。滑蓋在開、合兩種狀態(tài)下施加非均勻雪荷載的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性均符合結(jié)構(gòu)安全要求。優(yōu)化分析結(jié)果表明，可以根據(jù)所得關(guān)系式對溫室骨架進行優(yōu)化，從而降低溫室的建造成本。但本研究僅考慮了靜態(tài)荷載的施加與分析，今后可以考慮風(fēng)荷載的震動、動力響應(yīng)等動態(tài)荷載對滑蓋式節(jié)能日光溫室的作用，對滑蓋式節(jié)能日光溫室的力學(xué)分析更加完善。

本研究采用有限元模擬的方法，考慮滑蓋在開合狀態(tài)下，各荷載組合工況對溫室結(jié)構(gòu)的影響，探討最不利荷載組合工況下的滑蓋式節(jié)能日光溫室整體穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，結(jié)果表明，滑蓋打開狀態(tài)時風(fēng)荷載作用下所得等效應(yīng)力與位移最大，值分別為203 MPa和4.04 mm。對滑蓋打開狀態(tài)時施加風(fēng)荷載作用進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，優(yōu)化迭代28次得到最優(yōu)解，優(yōu)化后的鋼材用量降低1.63%。優(yōu)化后上弦桿截面尺寸變化最大，優(yōu)化前后百分比為81.84%。分析上弦桿的截面參數(shù)與等效應(yīng)力的關(guān)系，得出兩者關(guān)系曲線為y=8.9x+175.5。分析下弦桿截面參數(shù)與等效應(yīng)力的關(guān)系，可得兩者的關(guān)系式為y=5.1x+205.7。