垫!!!!旦查垫些竺窒篓!塑双层拱架结构塑料大棚透光率及稳定性分析 汤庆。，伍德林8，朱世东“，卯鑫8
(安徽农业大学a工学院：b园艺学院，台肥230036)
摘要：设计了一种新型双层拱架结构塑料大棚，并对其透光率进行了分析计算．外层棚的平均透光率为7608％．能满足棚内植株生长发育光照要求。将薄膜与骨架看作一体，采用三维建模软件构建双层棚的整体模型．运用有限元方法对外层棚进行较准确的受力分析。结果表明，新型大棚能够增加拱架的结构稳定性t解决了过去只对骨架或单拱分析计算造成的误差．为该棚型的进一步优化和改进提供了必要的依据。 关麓词：双层塑料大棚；整体建模；有限元方法；稳定性；透光率
中圈分类号：8625．5’2文献标识码：A文章编号：1003—188X(2012}08-0034-04
0引言
随着国民经济的增长，温室数量随之增加，塑料大棚因为投资小、建造简单、收益大而被普遍采用。由于塑料大棚采用塑料薄膜作为覆盖材料，其屋顶通常设计成拱形结构形式…。传统塑料大棚多采用单拱
组合的形式，这种结构在雪载或风载的作用下极易发生屈曲失稳，且此类大棚的保温性能比较差。而对于新型双层塑料大棚，由于采用两层拱架和横向纵向拉杆连接组合．结构稳定性得到了很大的提高，并且外棚和内棚之间形成了一个保温层，保温效果明显。
目前．还没有针对双层拱架塑料大棚结构进行稳定性分析。对于以往的大棚稳定性分析多采用将雪载或者风载等效地分布在拱架上．然后对单拱进行分析”4J。这种分析方法只适用于每个拱架结构相同且施加的力方向是向下的型式，而实际上由于薄膜的变形施加在拱架上的力方向和大小是变化的。对于相对复杂的大棚结构也有采用部分空间作用的计算模型”1进行分析，但这种分析没有考虑其空间协调作用，大大降低结构的整体刚度，无论是结构的强度、刚度．还是稳定性，都过于保守。孙德发等”1采用简化平面计算模型代替部分空间作用的计算模型．虽然可以简化求解问题的工作量和难度，但是这种方法只限于每个拱架结构相同的型式。针对这些问题和该双
收稿日期：201l一08—3I
基全璜目：安徽省高校科研项目(K J201I Z l22)；科技部“十一五“国家科技支撑计划项目(2008B A D C0802)
作者筒介：汤庆(1983一)．男，江苏徐州人，硕士研究生．(g-m a i l) t en gqi n射ou xi m g@163∞m．
通讯作者：伍燕#(1970一)．男．安盘桐城人．副教授．(E-m a i l) W U del i n@126…层拱架塑料大棚的特殊性，本文提出了采用骨架与薄膜的整体式建模方法，分析其结构稳定性，为该棚型的实际生产和推广应用提供必要的技术支撑和依据。
1结构设计与透光率计算
安全绳网1．1结构设计
本设计的双层棚结构参数如下：外棚跨度9．5m，肩高1．8m，拱距l m；内棚跨度9m，肩商I．6m，拱距1．2m。中间由纵向拉杆和横向拉杆组成．使外棚和内棚连为一体，内外棚结构设计参数及模拟示意图见图1和图2所示。
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图1大棚内外棚结构设计参敦示意臣
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1．2外棚墙光翠计算
大棚结构形状决定了温室大棚的采光性能。其中，大棚透光率是衡量采光性能的重要参。由于双层棚的内棚主要是在夜晚起到保温的作用。所以只对
2012年8月农机化研究第8期
外棚计算其透光率即可。大棚透光率的计算公式为
C
f=}×100％(1)
o‘
式中t一透光率；
G。一大棚内单位面积太阳净辐射量；
G。一到达地面单位面积的太阳总辐射。
进入大棚内单位面积的太阳净辐射量计算公式为
G，=gi g，CI cosi n／(2)式中c。一大棚内单位面积太阳净辐射量；
g，一采光面透射系数(透射率)，厚0．I m m的单层乙烯塑料薄膜透射率为89％；
c．一采光材料老化系数，本大棚参考的是新薄膜，C．=l；
，_噪光面透射角。
实际生产实践中，塑料大棚采光面通常采用的是曲线。本文采光面透射角nt算采用多段直线式拟合。考虑到计算的简洁和方便，该采光面分成5段，见图3所示。
罔3外棚供城采光面分段囤
交通管理信息系统I l=L+ar ct an{t a nB I eosf A—A’)】
厶=￡+ar ct an【|anB2e os(A—A‘)】
13=L+a r ct an【l anBl cos(A—A‘)】
^=￡+a r ct a n【t anB‘cos(A—A’)l
，5=L+ar ct an【t anB5e os(A—A’)】
式中L一太阳高度角(。)；
^一太阳方位角(o)；
A‘一大棚偏角(。)，此大棚偏角为O。；
8一大棚倾斜角(。)。
到达地面单位面积的太阳总辐射计算公式为
q=gj G o(3)
gj=丽sinL(4)
式中t一到达地面单位面积的太阳总辐射；
gj一太阳辐射能减弱系数；
c0一太阳常数，1981年世界气象组织(W M O)公布的太阳常值是1368W／m2；
c-大气透射度修正系。
凝胶珠太阳高度角和方位角可参照参考文献[5】计算。通过计算可以得到平均透光率i=76．08％．满足标准
G B／T19165-2003中规定的透光率大于70％的要求。所以，此种太棚的采光性能良好，外棚结构尺寸和采光曲面设计合理，能满足作物栽培要求。
2参数化几何建模
本文设计研究的双层塑料大棚中间由纵向拉杆和横向拉杆组成，使外棚和内棚连为一体。大棚在雪载或风载的作用下，由于覆盖薄膜是柔性材料，在薄膜变形的过程中对拱架的作用力也随之发生改变，只对大棚拱架进行分析是不准确的，所以采用骨架与薄膜一体建模。
采用有限元分析软件A nsys W or kbench的前处理模块D esi gn M odel er对双层塑料大棚进行整体式建模。本文所研究的实验棚纵长为30m，总体结构尺寸很大，但是骨架钢管界面尺寸相对很小，如果采用普通的实体建模会增加计算机得运算量。为了减少计算量，大棚骨架采用线体建模。塑料薄膜采用面体建模。由于拱架和拉杆之间采用大棚扣卡进行固定，可以将拱架和拉杆之间简化为绑定连接。对一些附属结构根据具体情况进行了简化处理，其有限元模型如图4所示。该大棚骨架采用装配式镀锌钢管结构，可以看成梁结构．所以骨架选用B eam l88单元。采用A nsys自适应网格划分方法，设置网格尺寸为20r a m。模型中共有节点3266009个。单元I133066个。大棚骨架采用的是镀锌钢管，其弹性模量为206G Pa，泊松比肛=0．3。塑料薄膜采用PV C膜，其属性参照参考文献[6]。
__-__一‘●____一
圉4双层塑料大棚有限元模型圉
3工况分析
塑料大棚设计需要考虑使用过程中在结构上可能同时出现的荷载，按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载效应组合．并取各自的最不利组合进行设计。
2012年8月农机化研究第8期对于承载能力极限状态，应采用荷载效应的基本
组合进行设计，设计表达式为
v一。S≤R(5)
式中y。一结构重要性系数，对于塑料大棚结构．除特
别重要或体型复杂的温室建筑外，取7。=
1．1．其他温室结构取h=1．0，因为在分项
荷载计算取值中已考虑了重要性系数；
s一荷载效应组合的设计值；
R一结构构件抗力的设计值，按有关建筑结构设
计规范的规定取值。
对于温室塑料大棚结构，同时出现几种荷载是可能的，但同时达到最大值是极少出现的。因此，在温室塑料大棚结构设计中，风荷载和雪荷载一般不同时参与组合。双层棚外棚所受的雪载和风载数值可以参照参考文献[7]计算。
4有限元计算和结果分析
大棚在载荷作用下产生变形，温室工程设计的刚度要求是最大相对位移控制在跨度的I．6％之内。根据《机械设计手册》，选取安全系数I．25，骨架许用应力[6]=235M Pa。采用A ns ys W or kbench协同仿真平台进行计算。
4．1霄载+恒载
4．1．1薄膜受力分析
通过A nsys计算，得到薄膜最大变形量为21．509r a m(如图5所示)．最大变形发生在中间1／4拱。从外棚的结构可以看出．中间1／4拱处与水平面的夹角最小。根据力的分解，薄膜法线方向向下的分力
相对比较大，可以使薄膜产生相对较大的变形。所受最大应力为1．4001M P a(如图6所示)，最大应力发生在拱架两边中间纵向杆和肩顶纵向杆处，其值在薄膜的弹性应变范围内。3．1．2骨架受力分析
通过A nsys计算，得到骨架最大变形量为4．8192m m (如图7所示)，最大变形发生在大棚起始端。大棚的起始端的外棚和内棚纵向之间有一定的距离，这里所受的力就不能由内棚来分担一部分，所以此处的变形相对比较大。所受最大应力为46．998M Pa(如图8所示)，发生在最上端的横拉杆与拱架的连接处。此处是不同杆的连接处，此处极易产生应力集巾，其值均在骨架的承受范围内。
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4．2风载+恒载
421薄膜受力分析
通过A nsys计算，得到薄膜最大变形量为20．791m m (如图9所示)，最大变形发生在大棚起始端。所受最大应力为1．0524M P a(如图10所示)，发生在大棚起始端，其值在薄膜的弹性应变范围内。
20I2年8月
闭10肌载谭膜压力嘲
4．2．2骨架受力分析
通过A nsys计算，得到骨架最大变形量为17564m m (如图11所示)，最大变形发生在大棚起始端。大棚起始端的外棚和内棚纵向之间有一定的距离，这里所受的力就不能由内棚来分担一部分，所以此处的变形相对比较大。所受最大应力为83738M Pa(如图12所示)，发生在大棚一侧支脚上。大棚支脚与地面连接，角度将近90。，极易产生应力集中。由于风从一侧吹过，所以两边支脚的应力不一样，其值均在骨架的承受范围内。
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5结论
1)通过采光面分段计算，得到该棚型的平均透光率为76．08％，能满足作物对光照的要求。
2)通过A ns ys W or kbench的前处理软件D esi gn M ode l e r中的线体和面体来建模，大大地缩短了计算机的计算量。
3)采用整体建模方法可以得到每个拱架和拉杆之间对整体结构稳定性的影响。
4)通过采用塑料薄膜和骨架一体式建模，从而得到了薄膜变形过程中对骨架的影响，更加精确地得到了大棚的受力情况。
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(下转第41页)
2012年8月农机化研究第8期
每一颗银杏单体的动力学状况既与所受到的挤压、碾搓作用有关，又与其初始速度、加速度、单体间的碰撞及其形状有关。本文为了模拟银杏在破壳过程中的受力变形状况，基于水平碾搓式银杏脱壳机建立了银杏脱壳的有限元分析模型，在对破壳过程进行了适当的简化和等效处理之后，通过仿真得出r银杏处于动定碾盘间的不同接触条件下的应力分布情况，进而给出了水平碾搓式银杏脱壳机的合理间距{I j l8节范围，对水平碾搓式银杏脱壳机的设计和使用具有很好的参考价值。
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T hr ee D i m ens i onal N um er i c al Si m ul at i on on t he Shel l i ng Pr oces s w i t h
H or i zont al Ext r us i on—gr i nd G i nkgo D ecor t i cat i ng Equi pm ent
Z hang R i hong，Z hu Li xue
(D epar t m ent of M echan i cal&E l ect r i cal E ngi neer i ng，Z ho ngkai U ni ver s i t y of A gr i c ul t ure and E ngi neer i ng，G uangzhou 510225，C hi na)
A bs t r act：T he pap er i nt roduc ed t he shel l i ng pr i nc i pl e of hor i zont a l e xt rus i on-g“nd gi nkgo proce ss O n t his basi s，t he r ea s onabl e r ange of adj us tm ent pa ra m e t er s of t he di st a nc e bet w een dyna m i c gr i ndi n g-di s c and st at i c gr i ndi n g-di s c ar e su gge s t e d，t hen
t he s t r es s di s t r i b ut i o ns of gi nkgo i n di f f er e nt c ont a ct c ondi t i ons ar e st udi e d usi ng t he f i n i t e el em ent anal ysi s m et hod．The num e ri c al s i m ul at i on r esu l t s of hor i zont a l ext rus i on-萌nd gi nkgo de cor t i cat i ng proce ss i s obt ai ned．
K ey w ords：hor i zont al ext r usi on-酣nd；gi nkgo de cor t i c at i ng；f i ni t e el em ent anal ys i s；A N SY S
(上接第37页)
A bs t r act I D：1003-188X(2012)08-0034-E A
C al cul at i on on L i ght T r ans m i t t ance a nd St abi l i t y Pe r f or m anc e
A nal ys i s of D oubl e—．1ayer Pl ast i c G r eenhous e
Tang Q i n98，W u D el i n8，Zhu Shi don96，M an X i n8
(a．E ngi neer i ng Col l e ge；b．H or t i cul t ur al C ol l ege。A n hui A gr i cul t ur a l U ni ve r si t y，H ef ei230036，C hi na)
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METLERTOLEDO
A bs t r a ct：A nove l doub l e-l ay er pl as t i c gr eenhou s e st r uct ur e w a s des i gned，and t he t ra ns m i t t ance of l i ght on out er s h ed W as a na l yz ed and c al c ul a t e d，a nd t he aver age t ra ns m i t t ance of t he t ype i s76．08％，w hi ch C a ll m eet t he need of pl ant de—vel opm ent．C on s i der i ng t he f i l m
and t he ske l et on of a rc hes as a w hol e，and usi ng3D m odel i ng sof t w ar e t hr ough t he f i nit e el em ent m et hod t o bui l d t he over al l m od el of doubl e s hed，t he st r ess and di s pl acem ent w er e cal cul at ed and anal yzed
ac cur at el y und er t w o w or k i ng condi t ions．The r esu l t s s how t hat t he new
t ype pl as t i c gr eenhou s e c an i ncr e ase t he st abi l i t y
of ar c h s t r uct ur e．A nd t he adopt ed m et hod w a s m or e ef f ec t i ve com par ed t o j ust anal ysi s o n si ngl e a rch or f r am ew or k sol e l y i n pas t．In gener al，t he w or k i ng c an provi ded t he nec e ss ar y bas i s t o t he f ur t he r opt i m i zat i on and i m pr ovem ent i n f ut ur e appl i ca t i on．
K ey w or ds：doubl e-l ayer pl as t i c gr eenhous e；m odel i ng on uni t y；f i ni t e el em ent m et hod；st abi l i t y per f orm ance；l i gh t t ra ns m i t t ance
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