大中跨度門式剛架奶牛舍結構的優化設計研究★

張燕斌 呂忠義

(1.內蒙古農業大學職業技術學院，內蒙古 包頭 014109；2.內蒙古農業大學農林工程設計研究院，內蒙古 呼和浩特 010020； 3.內蒙古雨潤農林工程設計咨詢有限公司，內蒙古 呼和浩特 010020)

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大中跨度門式剛架奶牛舍結構的優化設計研究★

張燕斌1,3呂忠義2,3

(1.內蒙古農業大學職業技術學院，內蒙古 包頭 014109；2.內蒙古農業大學農林工程設計研究院，內蒙古 呼和浩特 010020； 3.內蒙古雨潤農林工程設計咨詢有限公司，內蒙古 呼和浩特 010020)

結合跨度為27 m的封閉式門式剛架奶牛舍結構工程實例，以用鋼量最少為目標函數，借助有限元分析軟件ANSYS，對門式剛架進行了結構優化設計，優化后剛架減重效果明顯，單榀用鋼量節省20.68%，經濟效益明顯。

門式剛架，奶牛舍，優化設計，ANSYS

黑龍江、遼寧、內蒙古、北京、天津、河北、山西、河南、山東、上海、新疆、陜西和寧夏等13個省、自治區、直轄市是我國奶牛生產優勢區域[1]。這些優勢區域大部分地處北緯40°左右的世界公認優質奶源帶，這里有涼爽的氣候條件、豐富的飼草料資源、干凈的水土環境、堅實的養殖基礎，為奶牛養殖業發展提供了得天獨厚的基礎條件。但是，該區域奶牛平均年單產水平仍然偏低，如何為奶牛生產提供良好的生存生產環境是決定其單產水平高低的重要因素之一，而牛舍的建筑結構形式、通風保溫效果及牛舍內部的各種設備等因素都決定著奶牛的生活福利及生產水平。為奶牛創造最適宜的生存生產福利條件，保證奶牛的健康快樂生長，有利于提高奶牛單產水平和奶質，有利于國人喝上優質的好牛奶。

大中跨度門式剛架奶牛舍是常見的封閉式奶牛舍結構形式之一，這類牛舍具有防寒保暖性能好、空間大、便于機械化作業、重量輕、安裝方便、制作快捷、施工周期短、造價低等優點，因此廣泛適用于北緯40°左右北方寒冷地區。北緯45°左右的地區，通過增加圍護結構的內外保溫措施以加強保溫防寒效果，同時要進行良好的通風以防止舍內結露。

在封閉式門式剛架奶牛舍結構設計中，大部分設計者往往過于保守，使養殖設施投資增加，加大了養殖企業和養殖戶的負擔，造成了不必要的浪費，阻礙了我國奶牛養殖業的快速發展。本文將奶牛養殖與輕型門式剛架結構相結合，以用鋼量最少為目標函數，使用ANSYS軟件提供的APDL命令流進行有限元分析，建立分析模型并對具有廣泛適用性的27 m跨度門式剛架結構奶牛舍進行優化設計研究。

1 基于ANSYS的優化設計過程

所謂基于ANSYS的優化設計，指的是一種設計方案在滿足所有的設計要求和約束條件的前提下，以數學中的最優化理論為基礎，以計算機為輔助工具，尋求如重量、體積、面積、造價等所需的支出結果最優。ANSYS在進行優化設計的過程中，通過迭代算法可產生無窮序列的設計方案，只要滿足給定的約束條件和精度即可認為找到了最優的設計方案。

ANSYS的優化設計一般應用ANSYS軟件中的APDL語言，通過設計變量初始化、參數化建立模型、施加載荷、分析計算求解、優化參數評價、結果后處理及輸出優化結果等步驟對設計方案進行優化[2]。

鑒于上述理論基礎，特提出基于ANSYS的門式剛架結構的優化分析過程如圖1所示。

2 實例分析

2.1 問題的描述

某大型奶牛場單跨輕型門式剛架結構奶牛舍，跨度L=27 m，檐口高度H=6 m，柱距L0=6 m，雙坡屋面，坡度i=0.1。鋼材選用Q235普通碳素鋼，C型鋼檁條，主剛架的梁、柱采用變截面H型鋼，單榀剛架沿垂直中軸線左右對稱，變截面橫梁分兩段，梁柱節點處為剛接，柱與基礎為鉸接。如圖2所示為奶牛舍剖面圖，其荷載及設計參數為：恒載標準值0.45 kN/m2，雪荷載0.4 kN/m2，基本風壓為0.55 kN/m2；地面粗糙度B類；建筑結構安全等級：三級；建筑耐火等級：三級；地基基礎設計等級：丙級。

結構優化的最終目標是在滿足允許應力和變形的條件下，尋找確定最優設計方案，使單榀門式剛架截面尺寸減小，以致整體結構用鋼量最少和重量最輕，降低投資和造價，減少資金的不必要浪費。

2.2 ANSYS軟件分析問題

ANSYS進行優化計算是一個不斷迭代的過程。本例采用的優化方法為零階方法，該方法是—個經常使用的優化設計方法，其優點是不易陷入局部極值點，可有效地處理大多數的工程優化問題[3]。零階方法本質是通過最小二乘逼進，求取一個函數面來擬合解空間，然后再對該函數面求極值[4]。經過生成分析文件、構建優化控制文件并輸出最優結果等步驟對問題進行分析并求解。圖3是用ANSYS命令流建立的不同角度的奶牛舍單榀門式剛架有限元分析模型圖。圖4為單榀門式剛架結構體積(TVOL)的優化曲線。由圖4可見，隨著迭代次數在允許應力和變形范圍域內的增加，單榀剛架體積逐漸趨于減小并收斂。

依據CECS 102∶2002門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程[5]對剛架變形規定：剛架柱頂位移設計限值為：XDISmax=6.770 7×10-5m≤H/60=6/60=0.1 m；構件撓度限值為：YDISmax=1.198 3×10-2m

2.3 優化結果分析

本實例通過計算機輔助工具ANSYS計算優化后的單榀門式剛架結構(TVOL)體積減少，達到了優化目標，節省了鋼材使用量，節約了國家資源，節省了投資，單榀門剛結構優化前后體積重量對照表詳見表1。

表1 單榀門剛結構優化前后體積重量對照表

3 結語

我國奶牛優勢區域基本布局在北方，該區域冬季氣候寒冷，封閉式門剛結構奶牛舍是常用的建筑結構形式之一。本文從門剛結構奶牛舍優化設計著手，以有限元分析為理論基礎，以成熟的ANSYS分析軟件作為依托工具，對變截面剛架梁柱結構進行了建模、分析計算并優化，達到了主剛架結構尺寸減小、用鋼量及投資減少的效果。對類似地區、類似結構形式的農業建筑工程的節約化、工廠化、裝配化提供實踐參考和依據。

[1] 全國奶牛優勢區域布局規劃(2008—2015年)[Z].

[2] 應鴻烈.一種基于ANSYS的結構優化設計方法研究[J].科技信息,2010(19)：447-448.

[3] 李芬花，馬 慧，盧東海，等.ANSYS零階方法和一階方法的重力壩斷面優化研究[J].水利水電技術,2014(1)：76-79.

[4] 韋堯兵，王春婷，剡昌峰.基于ANSYS的剪刃的優化設計[J].科學技術與工程,2006(22)：41-42.

[5] CECS 102∶2002，門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程[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

★:內蒙古自然科學基金資助(項目編號：2015MS0567)

張燕斌(1982- )，男，碩士，研究方向：建筑結構及建筑材料，講師，工程師； 呂忠義(1971- )，男，高級工程師

TU318

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