參數化大棚模型結構穩定性檢測系統研究

（福建農林大學機電工程學院，福建 福州350002）

目前，農用大棚在結構上具有很強的區域性及相似性，在同一區域內，大棚結構系列化程度較高。國內外許多學者[1-5]已經開始對大棚結構進行研究。對大棚的結構穩定性的研究有多種方法，如應用材料力學原理、通過有限元算法或有限元軟件進行計算與分析等。然而，由于沒有同時將大棚參數化的有限元模型結構穩定性檢測過程與通用的編程語言結合起來，使得各類分析法并不適用于大棚產品質量檢驗與鑒定或生產與安裝工作人員對大棚產品的質量檢測或驗收。為此，本研究以整體的連棟型大棚參數化模型為基礎，運用有限元分析軟件ANSYS參數化設計語言與Visual Basic 6.0結合，開發了一種適用性較強的人機交互式大棚結構穩定性參數化仿真檢測系統。

1 大棚有限元模型參數化

參數化通常指的是參數化造型，是一種重要的幾何參數快速構造和修改幾何模型的造型方法[6]。本研究以福建省農業機械鑒定推廣總站推廣的SPG型和SPJ型大棚為研究對象，各系列大棚包括跨度8m和6m，又根據其使用的管材不同，分為Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ級，是具有相同結構，而材料參數不同的系列化大棚，適合運用參數化方法建模與分析。

考慮到大棚結構主要以鋼管焊接結構為主，系列化程度高，可對大棚中不影響穩定性的附屬結構進行簡化，將大棚的跨度、高度、管材材料截面、材料物理屬性和荷載等作為參數，并結合APDL命令流，以建立與調用ANSYS宏文件的方式，得到參數化的大棚有限元模型如圖1所示。

模擬大棚的管材采用Beam188單元，薄膜采用Shell63單元，各單元均采用自適應方式進行網格劃分。荷載方面，根據標準[8-9]中所提供的數據對其進行標準值的計算，而后施加到大棚模型上。故荷載標準值各個分量，也可以實現參數化。以SPG-8Ⅲ型大棚模型受雪荷載情況為例，結構參數取值如表1所示，該型大棚跨度8m，高度3.5m，彈性模量2×1011，泊松比0.3，薄膜厚度0.0002m。

圖1 參數化的大棚有限元模型

2 檢測系統的開發

以Visual Basic6.0軟件為開發平臺，開發基于Visual Basic與APDL命令結合的人機交互式農用大棚模型結構穩定性檢測系統。該系統的技術路線如圖2所示。

表1 SPG-8Ⅲ級大棚材料參數

2.1 系統界面

系統主要包括用戶登錄界面、參數設置界面、載荷設置與求解界面以及結果顯示界面。用戶在登錄后進入參數設置界面，如圖3所示，可選擇要分析的大棚類型、跨度及型號，再對該種大棚結構的管材截面尺寸進行設置。然后，進入荷載設置界面，如圖4所示，設置所要分析的受載情況，調用ANSYS軟件進行計算。最后，可進入結果顯示界面，查看計算分析后的結果。

圖2 檢測系統的技術路線

圖3 參數設置界面

圖4 荷載設置與求解界面

2.2 參數處理及調用

APDL命令中關于設置參數的代碼，通過Microsoft Access 7.0軟件建立ANSYS認可的APDL代碼參數表，再通過VB代碼對表中的數據進行實時的更新。即在參數設置界面下對各參數對應的text控件的 “click”事件[10]利用以下語句實現參數表中的參數值實時更新。

SQL＝"UPDATe＃＃SET value＝＇" ＆load.Text ＆"＇WHERE prmt＝＇load.＇"

在參數設置完成后，將參數表以文本的形式與APDL命令代碼中的其余代碼重新編輯成一個新的APDL代碼文件，供VB程序通過代碼直接調用ANSYS程序進行后臺運行計算。調用ANSYS的關鍵代碼如下：

其中，“dy”只是一個用來存放shell函數返回值的變量。

2.3 后處理結果

ANSYS軟件可以提供多種的后處理方式，可利用APDL命令得到各種方式的結果。在VB調用ANSYS程序后臺運行完畢后，可以應用VB進行后處理。如對APDL命令生成位移分布云圖，在VB程序中在新建窗口中以加載方式顯示圖片，以各大系列Ⅲ級型大棚結果為例，結果顯示界面如圖5、圖6所示。

圖5 Ⅲ級大棚受雪荷載結果顯示界面

圖6 Ⅲ級大棚受風荷載結果顯示界面

3 仿真結果分析

通過上述方法，可以得到大棚在受荷載后每個單元所發生的位移量，將得到的最大位移量值與允許位移量值比較，從而分析該大棚結構是否失穩，即不失穩條件是：

式中，δmax為大棚結構受荷載后得到的最大位移量值；[δ]為大棚結構允許位移量值，為大棚跨度的1／200[11]，即：[δ]SPG8＝ [δ]SPJ8＝8／200＝0.04m；[δ]SPG6＝ [δ]SPJ6＝6／200＝0.03m。

也就是說，跨度為8m的大棚，其允許位移量值為0.04m，而跨度為6m的大棚，其允許位移量值為0.03m，每個大棚的位移量值若超過相應的允許位移量值，則將發生失穩現象，甚至倒塌、損壞。表2為各系列大棚在受載后的仿真檢測結果。

表2 仿真檢測結果 m

設最大位移量與允許位移量比值為η，即：

則大棚模型受荷載后情況如表3所示。

表3 各系列大棚受雪荷載η最大值 %

4 結論

（1）由各位移值分布云圖可知，所建立的整體連棟型大棚模型與單拱整體大棚模型或連棟型非整體大棚模型受荷載后變形的位移分布情況相仿，均在大棚的中部并逐漸向周圍及兩端遞減；受風荷載后的變形在迎風面的1／4拱與中間拱交接處以及背風面附近最大，大棚中間拱較小。而且，整體連棟型大棚模型受荷載后的最大位移量值大于其他類型的大棚模型。原因在于整體連棟型大棚同時考慮了薄膜受載變形、連棟型受荷載情況與骨架間等因素的相互作用而使得大棚骨架的位移增大。

（2）對于大棚模型受雪荷載情況，上述結果顯示，在對各系列大棚模型進行受雪荷載時的穩定性仿真檢測分析時，各大棚均未失穩，檢測到的結果是Ⅰ級的最為穩定，Ⅱ級次之，Ⅲ級的穩定性較差。原因在于SPG型大棚中，Ⅲ級的大棚骨架管選用的是鍍鋅板材管，Ⅱ級選用的則是熱鍍鋅管，而Ⅰ級選用的是熱鍍鋅管且管的壁厚有所增大；SPJ型大棚中，Ⅲ級的大棚骨架為鍍鋅板材管，Ⅱ級的為增加壁厚的鍍鋅板材管，而Ⅰ級選用與Ⅲ級同樣壁厚的熱鍍鋅管。但是，在造價方面也同樣的Ⅰ級最大，Ⅲ級的最經濟。同時，SPJ型抗雪荷載能力明顯高于SPG型，原因在于SPJ型大棚在結構上優于SPG型大棚，在同樣的高度下，其拱形弧度較低，又有立柱等輔助支撐，但在造價方面，SPG型較為經濟。

（3）對于大棚模型受風荷載情況，上述結果也顯示，在對各系列大棚模型進行受風荷載時的穩定性仿真檢測分析時，各大棚均未失穩，SPG、SPJ型大棚各級結果與其受雪荷載時相類似，均為Ⅰ級最為穩定，Ⅱ級次之，Ⅲ級較差。同時，SPJ型同樣在抗風荷載能力上高于SPG型。

（4）上述結果還說明，SPG型與SPJ型大棚在抗風荷載能力上要比抗雪荷載能力上弱些，在今后的生產與安全防范方面，應采取適當的措施，多加強各大棚的抗風能力。

（5）ANSYS參數化設計語言能夠實現整體連棟型大棚建模的參數化驅動，可通過ANSYS經典操作環境得到宏代碼，對利用Visual Basic 6.0對其宏代碼進行參數數據編輯、更新，從而得到參數化的結構穩定性檢測系統。

（6）采用Visual Basic與APDL命令結合，開發的人機互動式大棚穩定性檢測系統，并采用參數化建立模型，可修改大棚的結構及荷載參數，對不同結構、受不同荷載的大棚穩定性進行分析檢測。該系統操作人性化高、可操作性強，適用于專業與非專業大棚產品檢測與鑒定工作人員對大棚產品的結構穩定性進行檢驗。

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